(57)【要約】【課題】空間ビーム結合に適した新規な光源ユニットを提供する。【解決手段】本開示の光源ユニット１００は、レーザ光を出射するエミッタ領域Ｅを有するＬＤ（レーザダイオード）１２および窓部材１４を含むパッケージ１０と、窓部材１４を透過したレーザ光を受け、エミッタ領域の像（仮想光源）Ｅ’を像面２２に形成する第１レンズ系２０と、像面を通過したレーザ光をコリメートビームＢまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系３０とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
封止された半導体レーザパッケージであって、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材とを含む、半導体レーザパッケージと、
前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を像面に形成する第１レンズ系と、
前記像面を通過した前記レーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系と、
を備える光源ユニット。
【請求項２】
前記像面から前記第２レンズ系までの距離は、前記レーザダイオードの前記エミッタ領域から前記窓部材の外側表面までの距離よりも短い、請求項１に記載の光源ユニット。
【請求項３】
前記第１レンズ系は、対物レンズ系および結像レンズ系を含む、請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項４】
前記レーザダイオードの前記エミッタ領域は、前記対物レンズ系の前側焦点に位置し、
前記像面は、前記結像レンズ系の後側焦点に位置し、
前記結像レンズ系の実効焦点距離は、前記対物レンズ系の実効焦点距離以上である、請求項３に記載の光源ユニット。
【請求項５】
前記対物レンズ系および前記結像レンズ系は、それぞれ、組レンズである、請求項３または４に記載の光源ユニット。
【請求項６】
前記第２レンズ系は、前記像面の側から順に配置された速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを含み、
前記像面から前記第２レンズ系までの前記距離は、前記像面から前記速軸コリメータレンズまでの距離によって規定される、請求項２から５のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項７】
前記像面から前記第２レンズ系までの前記距離は、１．０ミリメートル以下である、請求項１から６のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項８】
前記第２レンズ系は、前記像面の側から順に配置された速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを含み、
前記速軸コリメータレンズの実効焦点距離は、１．０ミリメートル以下であり、
前記コリメートビームの速軸サイズは、１．０ミリメートル以下である、請求項１から５のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項９】
前記第２レンズ系から出射された前記コリメートビームの伝搬方向を変える光路補正素子を更に備える、請求項１から８のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項１０】
前記光路補正素子は、前記コリメートビームを屈折させる光学部材を含む、請求項１から８のいずれかに記載の光源ユニット。
【請求項１１】
前記光学部材は、ウェッジプリズムである、請求項１０に記載の光源ユニット。
【請求項１２】
前記ウェッジプリズムを支持する台であって、前記ウェッジプリズムの一部を受け入れる凹部を有する台を備える、請求項１１に記載の光源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光源ユニットに関する。
【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、エネルギ変換効率の高いファイバレーザ装置に置き換わりつつある。ファイバレーザ装置の励起光源には、半導体レーザダイオード（以下、単にＬＤと記載する。）が使用されている。近年、ＬＤの高出力化に伴い、ＬＤを励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）技術と称されている。
【０００３】
特許文献１は、複数のＬＤからそれぞれ出射された複数のレーザビームを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）して光出力を増大させるレーザ光源の一例を開示している。複数のレーザビームの結合は「空間ビーム結合」と称され、例えばファイバレーザ装置の励起光源およびＤＤＬ装置などの光出力を高めるために利用され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許７７３３９３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空間ビーム結合に適した、より信頼性の高いレーザ光源、および、そのようなレーザ光源を備えるレーザ加工装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の光源ユニットは、非限定的で例示的な実施形態において、封止された半導体レーザパッケージであって、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材とを含む、半導体レーザパッケージと、前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を像面に形成する第１レンズ系と、前記像面を通過した前記レーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の実施形態によれば、空間ビーム結合に適した新規な光源ユニットが提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、チップ状態にあるＬＤから出射されたレーザ光をコリメートして出力する従来の光源ユニット１００Ｐの構成例を模式的に示す上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される光源ユニット１００Ｐの構成例の側面図である。
【図２】図２は、ＬＤ１２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、パッケージ１０に収容されたＬＤ１２から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｑの構成例を示すＸＺ面に平行な模式断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示される光源ユニット１００ＱのＹＺ面に平行な模式断面図である。
【図４】図４は、本実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を示す図である。
【図５】図５は、光源ユニット１００の主要部を拡大して示す図である。
【図６】図６は、第１レンズ系２０が対物レンズ系２４と結像レンズ系２６とを含んでいる形態を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００をＸＺ面の法線方向からみた模式的な上面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００をＹＺ面の法線方向からみた模式的な側面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００をＸＹ面の法線方向からみた模式的な正面図である。
【図８】図８は、９個の光源ユニット１００を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは、光学系１６０の構成例を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、光学系１６０の他の構成例を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、５本のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、９本のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、９本×２列のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、レーザ光源モジュール２００の他の構成例を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、レーザ光源モジュール２００の他の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、本開示によるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の実施形態の構成例を示す図である。
【図１４】図１４は、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態の構成例を示す図である。
【図１５】図１５は、本開示の実施形態における光源ユニットの改変例を示す図である。
【図１６】図１６は、コリメートビームＢの伝搬方向がＺ軸に対して傾斜している例を模式的に示す斜視図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、ウェッジプリズム３４を模式的に示す斜視図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、ウェッジプリズム３４を模式的に示す断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、ウェッジプリズム３４から出射されるコリメートビームＢが円錐面を描くようにステアリングされる様子を模式的に示す図である。
【図１８】図１８は、断面が左右対称のプリズム形状を有するウェッジプリズム３４を示す図である。
【図１９】図１９は、ウェッジプリズム３４をＸ軸の周りに角度θ０だけ回転させた状態を示す図である。
【図２０】図２０は、光路補正素子３２の正面および断面を示す図である。
【図２１】図２１は、光路補正素子３２の構成例を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、光路補正素子３２を有する複数の光源ユニット１００を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態を説明する前に、本発明者等が見出した知見およびその技術背景を説明する。
【００１０】
図１Ａは、チップ状態にあるＬＤから出射されたレーザ光をコリメートして出力する従来の光源ユニット１００Ｐの構成例を模式的に示す上面図であり、図１Ｂは、その側面図である。添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を基底とするＸＹＺ座標系が模式的に示されている。
【００１１】
図示されている光源ユニット１００Ｐは、レーザ光Ｌを出射するＬＤ１２と、レーザ光Ｌをコリメートする光学系３０Ｐとを備えている。図の例において、光学系３０Ｐは、ＬＤ１２に近い位置から光軸上に順番に配置された速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを含んでいる。速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣは、いずれも、シリンドリカルレンズ（例えば円筒面平凸レンズ）である。シリンドリカルレンズは、平行な光線束を直線（焦点）上に収束する曲面を有している。曲面は、円柱の外周表面の一部に相当する形状を有しており、円柱の軸方向における曲率はゼロである。それぞれが図示された構成を備える複数の光源ユニット１００Ｐを用いて空間ビーム結合が実行され得る。空間ビーム結合の詳細については後述する。
【００１２】
図２は、ＬＤ１２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。図示されている構成は、説明のために単純化されている。図２の例において、ＬＤ１２は、上面に形成されたストライプ状のｐ側電極１２Ｐと、下面に形成されたｎ側電極１２Ｎと、端面１２Ｆに位置するエミッタ領域Ｅとを有している。レーザ光Ｌはエミッタ領域Ｅから出射される。ＬＤ１２は、半導体基板と、半導体基板上に成長した複数の半導体層（半導体積層構造）を有している。半導体積層構造は、レーザ発振を行って発光する発光層を含み、公知の様々な構成を有し得る。この例におけるＬＤ１２は、ブロードエリア型であり、エミッタ領域Ｅは、Ｘ軸方向のサイズ（例えば５０μｍ以上）がＹ軸方向のサイズ（例えば約２μｍ）よりも格段に大きな形状を有している。エミッタ領域ＥのＹ軸サイズは、ＬＤ１２の半導体積層構造（具体的には導波路およびクラッド層の厚さ、屈折率比など）によって規定される。エミッタ領域ＥのＸ軸サイズは、発光層を横切る方向に電流が流れる領域のＸ軸サイズ、具体的にはリッジ構造（不図示）の幅（利得導波路幅）などによって規定される。
【００１３】
図２に示されるように、エミッタ領域Ｅから出射されるレーザ光Ｌのビーム形状はＸ軸方向とＹ軸方向で非対称になる。図２では、レーザ光Ｌのファーフィールド（遠方界）パターンが模式的に示される。レーザ光Ｌは、Ｙ軸方向ではシングルモードのガウシアンビームに近似されるビーム形状を有するが、Ｘ軸方向では全体として発散角の小さなマルチモードのビーム形状を有する。Ｙ軸方向の発散半角θｙ０は、Ｘ軸方向の発散半角θｘ０よりも大きい。Ｙ軸方向におけるレーザ光Ｌは、ガウシアンビームに近似できるため、Ｙ軸方向のビームウエスト位置におけるビーム半径をωo、レーザ光Ｌの波長をλとすると、θｙ０＝ｔａｎ−１（λ／πωo）≒λ／（πωo）ラジアンが成立する。λが可視光域にあるブロードエリア型レーザダイオードの場合、θｙ０は例えば２０度、θｘ０は例えば５度である。その結果、レーザ光ＬのＹ軸サイズは、Ｚ軸方向に沿って伝搬するときに相対的に「速く」発散して拡大する。このため、Ｙ軸は「速軸」、Ｘ軸は「遅軸」と呼ばれる。遅軸方向におけるビーム品質は、マルチモードであるため、速軸方向におけるビーム品質に比べて相対的に劣化している。その結果、ビーム品質を規定するビームパラメータ積ＢＰＰ（Ｂｅａｍ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔ）は、速軸方向における値に比べると、遅軸方向で相対的に大きくなる。なお、ＢＰＰは、ビームウエスト半径と遠方界における発散半角の積である。
【００１４】
図の例において、Ｚ軸はＬＤ１２から出射されるレーザ光Ｌの伝搬方向（ビーム中心軸）に平行である。単一のＬＤの動作を説明する場合、ＸＹＺ座標系の原点をエミッタ領域Ｅの中心に一致させることが便利である。しかし、複数のＬＤについて空間ビーム結合を説明する場合、ＸＹＺ座標系の原点は、いずれかのＬＤに関連づけて定める必要はない。また、空間ビーム結合に用いられる複数のＬＤの向きは相互に平行である必要はないし、個々のレーザビームが異なるミラーによって反射されて伝搬方向を変える場合もある。このため、本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、それぞれ、グローバルなＸＹＺ座標系における「Ｙ軸方向」および「Ｘ軸方向」に対して平行であるとは限らず、各レーザビームが有するビーム品質の非対称性に依存して決まる。すなわち、レーザビームの伝搬方向に直交する断面において、ＢＰＰが最も低い方向が「速軸」であり、速軸に直交する方向が「遅軸」である。
【００１５】
再び、図１Ａおよび図１Ｂを参照する。これらの図では、簡単のため、レーザ光ＬおよびコリメートビームＢが３本の代表的な光線によって単純化されて表されている。３本の光線のうち、中央の光線はレンズの光軸上にあり、他の２本の光線は、ビーム直径を規定する位置を模式的に示している。ビーム直径は、ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビーム直径またはビーム半径は、他の基準によって定義されてもよい。
【００１６】
速軸コリメータレンズＦＡＣは、図１Ｂに示されるように、レーザ光Ｌの伝搬方向（Ｚ軸）および速軸方向（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする。遅軸コリメータレンズＳＡＣは、図１Ａに示されるように、伝搬方向（Ｚ軸）および遅軸方向（Ｘ軸）を含む平面（ＸＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする。これらのコリメートを行うため、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣは、それぞれの前側焦点にエミッタ領域Ｅの中心が位置するように配置されている。
【００１７】
図２に模式的に示されているレーザ光Ｌの断面は、近傍界では、エミッタ領域Ｅの形状を反映して遅軸方向に比べて速軸方向に短い形状を有している。しかし、速軸方向の発散半角が大きいため、速軸方向のサイズは、エミッタ領域Ｅから離れるについて急速に拡大する。このため、光学系３０Ｐを通過した後におけるコリメートビームＢの断面の形状およびサイズは、レーザ光Ｌの光路上における速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣの位置に依存する。より正確には、速軸方向の発散半角θｙ０（または速軸コリメータレンズＦＡＣの開口数）と速軸コリメータレンズＦＡＣの焦点距離によってコリメートビームＢの速軸サイズが規定される。同様に、遅軸方向の発散半角θｘ０（または遅軸コリメータレンズＳＡＣの開口数）と遅軸コリメータレンズＳＡＣの焦点距離によってコリメートビームＢの遅軸サイズが規定される。
【００１８】
一般に、速軸コリメータレンズＦＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ、より具体的にはエミッタ領域Ｅ、に近いほど、コリメートビームＢの速軸サイズを小さくすることができる。言い換えると、速軸コリメータレンズＦＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ（エミッタ領域Ｅ）から離れているほど、コリメートビームＢの速軸サイズは大きくなる。同様に、遅軸コリメータレンズＳＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ（エミッタ領域Ｅ）から離れているほど、コリメートビームＢの遅軸サイズも大きくなる。なお、レーザ光Ｌの光路上における速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣの位置を変更する場合、コリメータレンズＦＡＣ、ＳＡＣの口径および焦点距離を適切に変更する必要がある。エミッタ領域Ｅの中心は、常にコリメータレンズＦＡＣ、ＳＡＣのそれぞれの前側焦点に配置される。
【００１９】
上記の構成を有する複数の光源ユニット１００Ｐを用いて空間ビーム結合を行う場合、発振波長が近赤外域よりも短いＬＤ１２を採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のエミッタ領域Ｅに雰囲気中の塵埃などが付着して光出力が低下し得るという問題がある。エミッタ領域に付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザ光Ｌと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザ光Ｌの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。このような問題を回避するため、複数のＬＤ１２を筐体内に収容するとき、筐体内に塵埃が混入しないように留意して筐体の組立を行い、筐体そのものを封止することが考えられる。しかし、空間ビーム結合に必要なレンズ系およびミラーなどの部品に塵埃などが付着していることがあり、また、筐体全体の気密性を高くすることは難しいため、長期にわたって光出力を高く維持することは困難であることがわかった。
【００２０】
他の問題解決手段として、個々のＬＤ１２を封止された半導体レーザパッケージ内に収容することが考えられる。ＬＤのパッケージ技術は高度に進んでおり、長期間、信頼性の高い動作が実現している。しかし、半導体レーザパッケージの内部にＬＤ１２を収容した場合、速軸コリメータレンズＦＡＣをＬＤ１２のエミッタ領域に近づけようとしても、半導体レーザパッケージが物理的に干渉するため、十分に近づけることができず、焦点距離が相対的に長い速軸コリメータレンズＦＡＣしか採用できなくなる。以下、この点を説明する。
【００２１】
図３Ａは、半導体レーザパッケージ１０に収容されたＬＤ１２から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｑの構成例を示すＸＺ面に平行な模式断面図であり、図３Ｂは、そのＹＺ面に平行な模式断面図である。以下、半導体レーザパッケージを単にパッケージと称する場合がある。
【００２２】
図からわかるように、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅと速軸コリメータレンズＦＡＣとの間にパッケージ１０の窓部材１４が位置しており、速軸コリメータレンズＦＡＣを図示されている状態よりもＬＤ１２のエミッタ領域Ｅに近づけることはできない。前述した光源ユニット１００Ｐの場合、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離を、例えば０．３ミリメートル（ｍｍ）にすることができる。これに対して、パッケージ１０の内部に収容されたＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離（後述する「光学距離」を意味する）は、例えば１．５ｍｍ程度に増加する。エミッタ領域Ｅの中心は速軸コリメータレンズＦＡＣの前側焦点に位置する必要があるため、速軸コリメータレンズＦＡＣの焦点距離を長くする必要があり、必然的にコリメートビームＢの速軸（Ｙ軸）方向サイズが数倍に増加してしまう。コリメートビームＢの速軸サイズが増加すると、空間ビーム結合を行うために使用される収束光学系が大型化するなどの不都合が生じる。この不都合の詳細は後述する。
【００２３】
本開示の実施形態によれば、このような問題を解決することが可能になる。以下、本開示の実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を説明する。
【００２４】
＜実施形態＞
光源ユニット
図４は、本実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を示す図である。図５は、光源ユニット１００における主要部の模式図である。図示されている例において、光源ユニット１００は、封止されたパッケージ１０と、第１レンズ系２０と、第２レンズ系３０とを備える。
【００２５】
パッケージ１０は、レーザ光Ｌを出射するエミッタ領域Ｅを端面１２Ｆに有するＬＤ１２と、レーザ光Ｌを透過する窓部材１４とを含む。パッケージ１０の構成は特に限定されず、例えばΦ５．６ｍｍまたはΦ９ｍｍなどのＴＯ−ＣＡＮ型のパッケージであり得る。パッケージ１０は、リード端子を有するステムと、ステムに固定されたＬＤを覆う金属キャップとを備え、金属キャップには透光性を有する窓部材１４が取り付けられている。窓部材１４の典型例は、光学ガラス（屈折率：１．４以上）から形成された薄板である。パッケージ１０の内部は、クリーン度の高い窒素ガスまたは希ガスなどの不活性ガスによって充填され、気密に封止され得る。ＬＤ１２は、例えば窒化物半導体系材料から形成された近紫外、青紫、青色、または緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であり得る。具体的には、ＬＤ１２の発振波長（中心波長）は、例えば３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある。ＬＤ１２は、熱伝導率の高いサブマウントを介してステムに固定され得る。ＬＤ１２の向きは、図示されている例に限定されず、パッケージ内のミラーによってレーザ光をＺ軸方向に反射するよう配置されていてもよい。
【００２６】
第１レンズ系２０は、窓部材１４を透過したレーザ光Ｌを受け、エミッタ領域Ｅの像Ｅ’を像面２２に形成する。また、図５に示される例においては、窓部材１４と同様の構成およびサイズを有する第２窓部材１５が第１レンズ系２０の光路上に配置されている。第２窓部材１５は、第１レンズ系２０に関して窓部材１４の位置と対称な位置に置かれている。像面２２は、エミッタ領域Ｅの各点から発せられた光線が第１レンズ系２０の屈折作用によって一点に収束して結像する面である。エミッタ領域Ｅと像面２２上の像Ｅ’は、共役の位置またはその近傍にある。本開示の実施形態において、エミッタ領域Ｅの中心を通るレーザ光Ｌの光軸と第１レンズ系２０の光軸とは一致している。本開示では、第１レンズ系２０の光軸に垂直な平面のうち、エミッタ領域Ｅの中心から発せられた光線が第１レンズ系２０によって収束する点の中心を通る平面を「像面」と定義する。像面２２にスクリーンを置いた場合、そのスクリーン上にはエミッタ領域Ｅの像Ｅ’が形成される。しかし、現実には像面２２にはスクリーンは配置されていないため、像Ｅ’は、自由空間中に位置する仮想光源として機能する。このような仮想光源を、エミッタ領域Ｅの中間像、再現像または転写像と呼んでもよい。第２窓部材１５は、窓部材１４がレーザ光Ｌに及ぼす影響を補償し、像面２２に形成される像Ｅ’の形状がエミッタ領域Ｅの形状を正確に再現することに寄与する。第２窓部材１５は不可欠ではないが、第１レンズ系２０は第２窓部材１５または第２窓部材１５の機能を発揮し得る光学部材を有していることが好ましい。
【００２７】
第２レンズ系３０は、像面２２を通過したレーザ光ＬをコリメートビームＢまたは収束ビームに変換して出射する。第２レンズ系３０は、像面２２に位置するエミッタ領域Ｅの像（仮想光源）Ｅ’から光を取り込むため、パッケージ１０の構造による物理的な制約（干渉）を受けることなく、第２レンズ系３０の焦点距離を短縮できる。
【００２８】
図５には、ＬＤ１２の端面１２Ｆから窓部材１４の外側表面１４Ｓまでの距離Ｌ０と、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２が示されている。図５に示される例では、Ｌ０＞Ｌ２となるように、第２レンズ系３０の速軸コリメータレンズＦＡＣが配置されている。こうして、パッケージ１０の構造による物理的な制約を受ける場合に比べて、第２レンズ系３０（具体的には速軸コリメータレンズＦＡＣ）の焦点距離を短縮し、コリメートビームＢの直径を小さくできる。ここでの「距離」は、「光学距離」を意味する。光学距離は、光線の経路に沿って線素ｄｓと屈折率ｎの積であるｎ・ｄｓを積分した値であり、「光学的距離」または「光路長」とも呼ばれる。距離Ｌ０は、窓部材１４の厚さが同じであっても、窓部材１４の屈折率に応じて異なり得る。窓部材１４の屈折率は空気の屈折率（約１．０）よりも高いため、窓部材１４の存在は光学距離を実質的に増加させる。窓部材１４の厚さは、典型的には０．２５ｍｍ程度である。窓部材１４が例えば屈折率１．５２のガラスから形成されている場合、窓部材１４だけで光学距離は０．３８（＝０．２５×１．５２）ｍｍに達し得る。更にＬＤ１２と窓部材１４との間には所定のギャップが存在するため、距離Ｌ０は１．０ｍｍ以上になることもある。なお、像面２２から第２レンズ系３０までの距離は、第２レンズ系３０に含まれるレンズなどの１個または複数個の光学素子が有する表面のうちで像面２２に最も近い位置にある表面と、像面２２との間の光学距離を意味する。本実施形態において、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２は、速軸コリメータレンズＦＡＣの「前側焦点距離」、「ワーキングディスタンス」、および「ＢＦＬ：Ｂａｃｋ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ」に相当する。
【００２９】
本実施形態によれば、距離Ｌ２、すなわち速軸コリメータレンズＦＡＣの「前側焦点距離」を１．０ｍｍ以下、典型的には０．８ｍｍ以下にできるし、０．５ｍｍ以下の値（例えば約０．３ｍｍ）にすることも可能である。こうして、ＬＤ１２を、封止されたパッケージ１０の内部に収容しながら、コリメートビームＢの速軸（Ｙ軸）方向サイズを小さく維持できる。その結果、空間ビーム結合を行うときに収束のための光学系を大型化することなく、長期信頼性を高めることが可能になる。
【００３０】
第１レンズ系２０は、１個の単レンズによって構成されている必要はなく、組レンズから構成されていてもよい。また、図６に示すように、第１レンズ系２０が対物レンズ系２４と結像レンズ系２６とを含むリレーレンズであってもよい。対物レンズ系２４と結像レンズ系２６を用いることにより、無限遠補正光学系を形成することができる。対物レンズ系２４および結像レンズ系２６も、それぞれ、組レンズであってもよい。組レンズを採用することにより、収差を低減してビーム品質の劣化を抑制することができる。
【００３１】
図６の例において、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅは、対物レンズ系２４の前側焦点に位置している。像面２２は、結像レンズ系２６の後側焦点に位置している。本開示の実施形態において、結像レンズ系２６の実効焦点距離Ｆ２は、対物レンズ系２４の実効焦点距離Ｆ１以上である。実効焦点距離は、レンズの主点から焦点までの距離を意味する。像面２２に形成される像の横倍率は、Ｆ２／Ｆ１であるため、像面２２におけるエミッタ領域Ｅの像Ｅ’の大きさは、エミッタ領域Ｅの大きさのＦ２／Ｆ１倍である。Ｆ２がＦ１よりも大きいと、拡大されたエミッタ領域Ｅの像Ｅ’が仮想光源として機能する。ここで、仮想光源の速軸方向のサイズ、すなわち像面２２における速軸方向ビーム径を２×ωｙ１とする。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）をθｙ１とする。一方、実際のエミッタ領域Ｅの速軸サイズ、すなわちエミッタ領域Ｅにおける速軸方向ビーム径を２×ωｙ０とする。また、エミッタ領域Ｅから出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）をθｙ０とする。ビーム品質が劣化しない条件のもとでは、ωｙ０×θｙ０＝ωｙ１×θｙ１の関係が成立する。したがって、Ｆ２／Ｆ１が１より大きいと、ωｙ０よりもωｙ１が大きくなり、θｙ１がθｙ０よりも小さくなる。その結果、第２レンズ系３０（速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣ）の開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。このことの技術的意義については、後述する。
【００３２】
なお第２レンズ系３０は、コリメートビームを出射する光学系に限定されず、収束ビームを出射する光学系であってよい。
【００３３】
本実施形態において、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２は、像面２２から速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離によって規定される。ここで、像面２２から速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離とは、速軸コリメータレンズＦＡＣの表面のうちで像面２２に最も近い位置にある表面と像面２２との間の光学距離を意味する。非球面レンズを用いず、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを用いることにより、速軸および遅軸のそれぞれについて個別に適切なコリメートを実現できる。本開示の実施形態によれば、像面２２に近い位置に速軸コリメータレンズＦＡＣを配置することにより、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離を短くし、コリメートビームＢの速軸サイズを小さくすることができる。
【００３４】
本開示の実施形態において、第２レンズ系３０が、像面２２の側から順に配置された速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを含む場合、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離ＥＦＬを１．０ｍｍ以下にすることにより、コリメートビームＢの速軸サイズを、例えば１．０ｍｍ以下（例えば０．８ｍｍ程度）にすることが可能になる。コリメートビームＢの速軸サイズが小さいと、複数のコリメートビームＢを空間的に結合するための光学系および装置（ビームコンバイナ）を小さくすることができる。
【００３５】
なお、像面２２の位置に開口絞りを配置してもよい。仮想光源として機能するエミッタ像Ｅ’の周辺部における不要な光を開口絞りによって遮断することができる。コリメートビームＢが光ファイバに入射するとき、ファイバ結合にとって不要な干渉光（エアリディスクの外側に形成される干渉光）が、上記の開口絞りの働きによって取り除かれる。
【００３６】
レーザ光源モジュール
次に、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃを参照して、本開示によるレーザ光源モジュールの実施形態を説明する。図７Ａは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００のＸＺ面の法線方向からみた模式的な上面図、図７ＢはＹＺ面の法線方向からみた模式的な側面図、図７ＣはＸＹ面の法線方向からみた模式的な正面図である。図示されている構成は、不図示の筐体（ハウジング）に収容されている。
【００３７】
図示されているレーザ光源モジュール２００は、複数のレーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃと、ビームコンバイナ１２０とを備えている。複数のレーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃのそれぞれは、前述の光源ユニット１００である。以下、簡単のため、レーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを総称して「光源ユニット１００」と略記する場合がある。１個のレーザ光源モジュール２００に含まれる光源ユニット１００の個数は任意である。この例において、光源ユニット１００の個数は３であるが、典型的には４以上である。図８は、９個の光源ユニット１００を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。光源ユニット１００の個数に比例して結合ビームの光出力および光強度を高めることが可能になる。限られた空間内を多数のコリメートビームで充填して充填率を高めるには、コリメートビームの速軸サイズを小さくして、Ｙ軸（速軸）方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳを短縮することが好ましい。
【００３８】
なお、コリメートビームＢは、図面において完全な平行光として簡略的に記載されているが、現実のコリメートビームＢは、ビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角で発散する。このため、図８に示される例において、光源ユニット１００の個数が多くなりすぎると、収束光学系１６０から離れた位置にある光源ユニット１００からのコリメートビームＢについては、その光路が長大になってビーム径が大きく発散する可能性がある。一例として、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離が０．３ｍｍの場合、速軸コリメータレンズＦＡＣからコリメートビームＢのビームウエストまでの距離は例えば５０ｍｍ程度である。このような例では、光源ユニット１００の個数が１０を超えて多くなると、最大光路長が５０ｍｍを大きく超える。その結果、一部のコリメートビームＢの発散が無視できず、コアサイズの小さな光ファイバに対して適切に集光することが難しくなる可能性がある。このため、空間ビーム結合によって結合するべきコリメートビームＢの本数は、単純に多ければ多いほどよいわけではなく、条件に応じて適切な範囲に設定されることが望ましい。
【００３９】
ビームコンバイナ１２０は、複数の光源ユニット１００から出射された複数のコリメートビームＢを空間的に結合する。本実施形態において、各光源ユニット１００から出射されたコリメートビームＢは、ほぼ同一の波長（例えば、約４６５ｎｍ±１０ｎｍ）を有しているが、位相は相互に同期されていない。このため、複数のコリメートビームＢは、インコヒーレントに結合される。
【００４０】
本実施形態において、レーザ光源モジュール２００は、基準平面Ｒｅｆから複数のコリメートビームＢの中心までの距離（高さ）Ｈがそれぞれ異なるように複数の光源ユニット１００を支持する支持基体（サポート）１４０を備える。サポート１４０は、図７Ｂに示されるように、複数の段差を有する載置面１４０Ｔを有している。Ｙ軸（速軸）方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳは、サポート１４０の載置面１４０Ｔにおける段差の大きさに相当する。中心間ピッチＳは、例えば２００μｍ以上３５０μｍの範囲内に設定され得るが、わかりやすさのため、図７Ｂ、図７Ｃおよび図８では、段差が誇張して大きく記載されている。光源ユニット１００は、図７Ａに示されるように、Ｚ軸方向に沿って中心間ピッチＰで配列されている。
【００４１】
本実施形態におけるビームコンバイナ１２０は、複数のコリメートビームＢをそれぞれ反射する複数のミラーＭを有するミラーアレイを含んでいる。具体的には、サポート１４０の載置面１４０Ｔが、光源ユニット１００の個数に対応する個数のミラーＭを異なる高さ（レベル位置）で支持している。各ミラーＭの位置および向きは、対応するコリメートビームＢを反射して収束光学系１６０に向けるようにアライメントされている。典型例において、ミラーＭは、Ｙ軸に平行な軸の周りにコリメートビームＢを９０度回転させる。こうして、本実施形態のミラーＭのアレイは、反射された複数のコリメートビームＢを基準平面Ｒｅｆに垂直な面（ＹＺ面）に沿って伝搬させる。なお、ミラーＭは、不図示の筐体壁に固定されていてもよいし、それぞれのミラーＭの位置および向きを調整することが可能な部品を介して固定されていてもよい。なお、ミラーＭの反射面は、入射するコリメートビームＢの波長において選択的に高い反射率を有する多層膜から形成されていることが望ましい。
【００４２】
Ｙ軸方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳは、個々のミラーＭのＹ軸方向におけるサイズよりも大きい。個々のミラーＭのＹ軸方向におけるサイズは、典型例において、個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２の２倍以上に設定される。ここで、ωｙ２は、厳密には、コリメートビームＢのビームウエストにおける値であるが、発散半角が充分に小さいため、この例における光路上でコリメートビームＢのＹ軸方向半径はωｙ２にほぼ等しいと近似してもよい。本実施形態において、Ｓ＞２×ωｙ２が成立している。ωｙ２が例えば１００μｍのとき、Ｓは例えば３００μｍ（＝２．５×ωｙ２）に設定され得る。個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２が小さいほど、中心間ピッチＳを小さくすることができる。ここで、本実施形態における光源ユニット１００ではなく、図３Ｂに示すような光源ユニット１００Ｑを採用した場合、個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２は、１ｍｍ程度に達する。そのため、段差の大きさＳも１ｍｍ程度以上にする必要があり、空間ビーム結合後のビーム径が大きくなりすぎる。また、このような問題は、例えば図８に示すように、光源ユニット１００の個数が大きくなるほど、顕著になる。しかし、本実施形態における光源ユニット１００を用いることにより、この問題を解決できる。
【００４３】
Ｙ軸方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳを決定するとき、光源ユニット１００どうしの物理的な干渉を気にする必要はない。これに対して、Ｚ軸方向における中心間ピッチＰは、隣接する２個の光源ユニット１００が物理的に干渉しないように決定される。
【００４４】
ビームコンバイナ１２０は、複数のミラーＭによってそれぞれ反射された複数のコリメートビームＢを収束する光学系１６０を含む。本実施形態における光学系１６０は、複数のコリメートビームＢを不図示の光ファイバに光結合する。なお、ミラーＭの反射面は平坦である必要はない。ミラーＭは、光学系１６０が有する収束機能の少なくとも一部を担っていてもよい。また、ビームコンバイナ１２０は、ミラーＭ以外の光学部品、例えば波長選択性を有するフィルタ、を有していてもよい。
【００４５】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、および図８に示されている構成は、不図示の筐体に収容され得る。筐体そのものをパッケージと呼ぶ場合があるが、前述の半導体レーザパッケージに比べると、内部に部品点数が多く、光集塵効果を十分に抑制するほどのクリーン度を達成して気密性を維持することは難しい。
【００４６】
以下、図９Ａおよび図９Ｂを参照して、複数のコリメートビームＢを結合する光学系１６０の構成例について説明する。図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、速軸（Ｙ軸）方向に沿って中心間ピッチＳで並んだｎ本のコリメートビームＢを収束する光学系１６０の構成例を示している。図９Ａの例と図９Ｂの例との間にある相違点は、速軸コリメータレンズＦＡＣの違いにある。
【００４７】
図示されている例において、ｎは３以上の奇数であるが、ｎは偶数であってもよい。また、簡単のため、コリメートビームＢとして、完全に平行な光線が図面に記載されているが、前述したように、現実のコリメートビームＢはビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角度で発散する。光学系１６０に入射するｎ本のコリメートビームＢのＹ軸方向における全体サイズを２×ＲＴＹとすると、２×ＲＴＹ＝Ｓ×（ｎ−１）＋２×ωｙ２の関係が成立する。この関係は、ＲＴＹ＝Ｓ×（ｎ−１）／２＋ωｙ２に書き換えることができる。なお、ｎ本のコリメートビームＢは、速軸（Ｙ軸）方向に沿って直線状に並んでいるため、ｎ本のコリメートビームＢのＸ軸方向における全体サイズは、個々のコリメートビームＢのＸ軸方向におけるサイズ２×ωｘ２に等しい。
【００４８】
図９Ａおよび図９Ｂの光学系１６０は、その収束点の位置（後側焦点）Ｑに近い側から順番に遅軸収束レンズＳＡＦおよび速軸収束レンズＦＡＦを含む。これらのレンズは、シリンドリカルレンズである。ここで、Ｚ軸（一点鎖線）は光学系１６０の光軸に一致するとする。速軸収束レンズＦＡＦは、Ｚ軸および速軸方向（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）内で全コリメートビームＢを収束させる。遅軸収束レンズＳＡＦは、Ｚ軸および遅軸方向（Ｘ軸）を含む平面（紙面に垂直なＸＺ面）内で各コリメートビームＢを収束させる。
【００４９】
速軸収束レンズＦＡＦおよび遅軸収束レンズＳＡＦは、それぞれの後側焦点が一致するように配置されている。結合レーザビームの収束位置ＱにおけるＹ軸方向半径ωｙ３は、仮想光源のＹ軸方向半径ωｙ１に倍率（ＥＦＬＦＡＦ／ＥＦＬＦＡＣ）を乗算した値を有する。ここで、ＥＦＬＦＡＣは、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離であり、ＥＦＬＦＡＦは、速軸収束レンズＦＡＦの実効焦点距離である。
【００５０】
前述したように、本開示の実施形態において、結像レンズ系２６の実効焦点距離Ｆ２を対物レンズ系２４の実効焦点距離Ｆ１よりも長くすると、像面２２に形成される像の横倍率は、Ｆ２／Ｆ１であるため、像面２２におけるエミッタ領域Ｅの像Ｅ’の大きさは、実際のエミッタ領域Ｅの大きさのＦ２／Ｆ１倍に拡大する。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）θｙ１は、Ｆ２／Ｆ１が大きいほど、小さくなる。仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）θｙ１が小さくなると、速軸コリメータレンズＦＡＣの開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。図９Ｂの構成例は、図９Ａの構成例に比べてθｙ１が相対的に小さい。より実効焦点距離ＥＦＬＦＡＣが長い速軸コリメータレンズＦＡＣを採用すると、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび速軸収束レンズＦＡＦによる収束位置Ｑにおける横倍率（ＥＦＬＦＡＦ／ＥＦＬＦＡＣ）が小さくなる。このように、収束位置Ｑにおける横倍率が小さくなると、光ファイバのコアに対する収束ビームスポットの位置ズレ許容度を上げることができる。
【００５１】
なお、一例として、ωｙ１＝２．０μｍ、ＥＦＬＦＡＣ＝０．３ｍｍ、ＥＦＬＦＡＦ＝１０．０ｍｍの場合、ωｙ３＝６６．７μｍである。また、ωｙ１＝４．０μｍ、ＥＦＬＦＡＣ＝０．６ｍｍ、ＥＦＬＦＡＦ＝１０．０ｍｍの場合、ωｙ３＝６６．７μｍである。また、遅軸コリメータレンズＳＡＣの実効焦点距離をＥＦＬＳＡＣ、遅軸収束レンズＳＡＦの実効焦点距離ＥＦＬＳＡＦとするとき、結合レーザビームの収束位置ＱにおけるＸ軸方向半径ωｘ３は、仮想光源のＸ軸方向半径ωｘ１に倍率（ＥＦＬＳＡＦ／ＥＦＬＳＡＣ）を乗算した値を有する。例えばωｘ１＝８０μｍ、ＥＦＬＳＡＣ＝５．０ｍｍ、ＥＦＬＳＡＦ＝４．０ｍｍの場合、ωｘ３＝６４μｍである。
【００５２】
本実施形態によれば、例えば開口数が０．２程度でコア径が１００μｍの多モード光ファイバにレーザビームを集光することができる。ｎ本のレーザビームがインコヒーレントに結合するため、光強度はｎ倍に増大する。なお、図３Ｂの構成では、ＳおよびＲＴＹが増大するため、収束光学系１６０を大型化する必要がある。
【００５３】
図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、それぞれ、５本、９本、および９本×２列のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示している。図１０Ｃの形態は、図１１に示すように、複数の光源ユニット１００を２列に並べることによって得られる。
【００５４】
光源ユニット１００の配列の形態は、前述した例に限定されない。図１２は、更に他の例を示す上面模式図である。複数の光源ユニット１００から出力されるビームが３列に並ぶように構成されてもよい。また、複数の光源ユニット１００および／またはミラーＭは、相互に平行である必要はなく、傾斜していてもよい。
【００５５】
本開示の実施形態によれば、ＬＤ１２がパッケージ内に収められているため、高出力短波長のレーザビームが引き起こし得る光集塵効果に起因するＬＤ１２の光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、複数のコリメートビームＢを高い空間密度で結合することが可能になるため、光出力を効果的に高めることができる。更に、コリメートビームＢの速軸サイズの増加を抑えられるため、光源ユニット１００の空間配置の自由度が高まり、多数のコリメートビームＢを密に並べることが可能になる。その結果、高出力のレーザビームを光ファイバに高い効率で結合することが可能になる。
【００５６】
上記の実施形態において、個々のパッケージ１０には１個のＬＤ１２が収容されているが、各パッケージ１０に複数のＬＤ１２が収容されていてもよい。また、各実施形態において、個々のＬＤ１２は、１個のエミッタ領域Ｅを有しているが、１つのＬＤ１２が複数のエミッタ領域Ｅを有していてもよい。このように、１個のパッケージ１０の内部に複数のエミッタ領域Ｅ（エミッタアレー）が位置していても、本開示の実施形態による効果を得ることができる。すなわち、各パッケージ１０の内部に位置するエミッタアレーの像を第１レンズ系２０の像面２２に転写することにより、自由空間中に仮想光源を形成すれば、パッケージ構造に制約されずに、第２レンズ系３０を設計することが可能になる。
【００５７】
ダイレクトダイオードレーザ装置
次に、図１３を参照して、本開示によるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の実施形態を説明する。図１３は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。
【００５８】
図示されているＤＤＬ装置１０００は、４個のレーザ光源モジュール２００と、加工ヘッド４００と、レーザ光源モジュール２００を加工ヘッド４００に接続する光伝送ファイバ３００とを備える。レーザ光源モジュール２００の個数は、１個または複数個であり、４個に限られない。
【００５９】
各レーザ光源モジュール２００は、前述した構成と同様の構成を有している。各レーザ光源モジュール２００に搭載されているＬＤ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。各ＬＤから放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなど加工する場合、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に属するＬＤが好適に採用され得る。各ＬＤから放射されるレーザ光の波長は同一である必要はなく、中心波長が異なるレーザ光が重畳されてもよい。また、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲外にあるレーザ光を用いる場合にも、本発明による効果を得ることは可能である。
【００６０】
図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール２００のそれぞれから延びる光ファイバ２２０が光ファイバ結合器２３０によって光伝送ファイバ３００に結合されている。加工ヘッド４００は、光伝送ファイバ３００の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物５００に収束して照射する。１台のＤＤＬ装置１０００がＭ個のレーザ光源モジュール２００を備え、個々のレーザ光源モジュール２００がＮ個のＬＤを搭載している場合において、１個のＬＤの光出力がＰワットであれば、最大でＰ×Ｎ×Ｍワットの光出力を持ったレーザビームを対象物５００上に収束させることができる。ここで、Ｎは２以上の整数、Ｍは正の整数である。例えばＰ＝１０ワット、Ｎ＝９、Ｍ＝１２であれば、１キロワットを超える光出力が実現する。
【００６１】
本実施形態によれば、レーザ光源モジュール内のＬＤが半導体レーザパッケージ内に収められているため、光集塵効果などに起因する光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、ビーム径の小さな多数のコリメートビームを限られた空間内に充填できるため、小型の装置で高い光出力を達成でき、光ファイバにも結合しやすい。
【００６２】
ファイバレーザ装置
次に、図１４を参照して、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態におけるファイバレーザ装置２０００の構成例を示す図である。
【００６３】
図示されているファイバレーザ装置２０００は、励起光源として機能するレーザ光源モジュール２００と、レーザ光源モジュール２００から出射された励起光によって励起される希土類添加光ファイバ６００とを備える。図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール２００のそれぞれから延びる光ファイバ２２０が光ファイバ結合器２３０によって希土類添加光ファイバ６００に結合されている。希土類添加光ファイバ６００は、共振器を規定する一対のファイバブラッググレーティングで挟まれている。希土類添加光ファイバ６００にＹｂイオンがドープされている場合、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を生成するレーザ光源モジュール２００が使用される。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール２００では、ＬＤが半導体レーザパッケージに収容されているため、前述したように、特に青または緑色のレーザ光を出射するＬＤを採用するときに優れた効果を発揮し得る。また、例えばプラセオジム（Ｐｒ）がドープされたフッ化物ガラスから形成された希土類添加光ファイバ６００を使用する場合、青色の励起光による可視光レーザ発振を実現することが可能である。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール２００は、そのような励起光源として有用である。
【００６４】
加工ヘッド４００は、希土類添加光ファイバ６００の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物５００に収束して照射する。
【００６５】
このように、本開示のレーザ光源モジュールは、非限定的で例示的な実施形態において、それぞれが前記光源ユニットである複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からそれぞれ出射された複数のコリメートビームを空間的に結合するビームコンバイナとを備える。
【００６６】
ある実施形態において、基準平面から前記複数のコリメートビームの中心までの高さがそれぞれ異なるように前記複数のレーザ光源を支持するサポートを備える。前記ビームコンバイナは、前記複数のコリメートビームをそれぞれ反射する複数のミラーを有するミラーアレイであって、反射された前記複数のコリメートビームを前記基準平面に垂直な面に沿って伝搬させる、ミラーアレイと、前記複数のミラーによって反射された前記複数のコリメートビームを収束する光学系とを含む。
【００６７】
また、本開示のダイレクトダイオードレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームを伝搬させ、前記レーザビームを出射する光ファイバと、前記光ファイバに結合された加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射された前記レーザビームで対象物を照射する加工ヘッドとを備える。
【００６８】
更に、本開示のファイバレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームによって励起される希土類添加光ファイバとを備える。
【００６９】
光源ユニットの改変例
図１５は、本開示の実施形態における光源ユニットの改変例を示す図である。図示されている例において、光源ユニット１００Ｘは、封止されたパッケージ１０と、第１レンズ系２０と、第２レンズ系３０と、光路補正素子３２とを備える。パッケージ１０、第１レンズ系２０、および第２レンズ系３０の構成は、前述した実施形態における構成例と同様である。この改変例における光源ユニット１００Ｘが前述した光源ユニット１００と異なる点は、光路補正素子３２を備えている点にある。光路補正素子３２は、第２レンズ系３０から出射されたコリメートビームＢの伝搬方向を変える素子である。
【００７０】
図１６は、光路補正素子３２がない場合において、コリメートビームＢの伝搬方向がＺ軸に対して傾斜している例を模式的に示す斜視図である。コリメートビームＢは、ＸＺ面内においてＺ軸の正方向からＸ軸の正方向に方位角Φだけ回転し、かつ、ＸＺ面からＹ軸の正方向に仰角Ωだけ回転している。方位角Φおよび仰角Ωは、それぞれ、主として速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣのアライメントずれによって発生し得る。例えば、速軸コリメータレンズＦＡＣのＹ軸方向における位置が所定位置から１μｍずれるだけで、０．１度の仰角Ωが発生し得る。Ω＝０．１度であっても、光路が長くなると、コリメートビームＢの位置ずれが過大になる。例えば、図８を参照して説明したレーザ光源モジュール２００では、コリメートビームＢに生じた約０．１〜１．０度の角度ずれが、収束光学系１６０による集光に悪影響を及ぼし得る。なお、速軸コリメータレンズＦＡＣのＹ軸方向における位置が所定位置にあったとしても、遅軸コリメータレンズＳＡＣのＸ軸方向における位置が所定位置からずれると、０度ではない方位角Φが発生し得る。
【００７１】
図１５の光路補正素子３２によれば、コリメートビームＢの向きを修正し、仰角Ωおよび方位角Φを０度に近づける補正が可能になる。光路補正素子３２は、コリメートビームＢを屈折させる光学部材を含み、このような光学部材の典型例は、ウェッジプリズムである。以下、一例として、円形のウェッジプリズムを有する光路補正素子３２の構成例および動作を説明する。
【００７２】
図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、ウェッジプリズム３４を模式的に示す斜視図および断面図である。図１７Ｃは、ウェッジプリズム３４を矢印の方向に回転させることにより、ウェッジプリズム３４から出射されたコリメートビームＢが円錐面を描くようにステアリングされる様子を模式的に示している。
【００７３】
ウェッジプリズム３４では、光入射面３４Ａと光出射面３４Ｂとの間に０度ではない角度αが形成されたプリズムである。角度αは、例えば０．１度以上１．０度以下の範囲にある。ウェッジプリズム３４は、例えば屈折率が１．５程度の光学ガラスから形成され得る。ウェッジプリズム３４の光入射面３４Ａに入射したコリメートビームＢは、空気（屈折率は約１．０）と光入射面３４Ａとの界面、および、光出射面３４Ｂと空気との界面で屈折する。この２回の屈折により、コリメートビームＢの伝搬方向（ビーム軸方向）を所定の角度だけ変化させることが可能になる。したがって、ウェッジプリズム３４を用いてコリメートビームＢの伝搬方向を適切な方向に適切な角度だけ変化させれば、前述した仰角Ωおよび方位角Φをゼロ度に近づけることができる。
【００７４】
次に、図１８を参照して、ウェッジプリズム３４による光線の屈折を説明する。図１８には、断面が左右対称のプリズム形状を有するウェッジプリズム３４が記載されている。図１８のウェッジプリズム３４は、水平面３５上に置かれた状態にある。入射光線Ｂｉｎは、ウェッジプリズム３４の軸Ａｘに対して角度θ０で光入射面３４Ａに入射する。入射光線Ｂｉｎの入射角は、光入射面３４Ａの法線Ｎ１に対する角度θ１によって規定される。ウェッジプリズム３４の対称性から、出射光線Ｂｏｕｔは、ウェッジプリズム３４の軸Ａｘに対して角度θ０で光出射面３４Ｂから出射する。出射光線Ｂｏｕｔの出射角は、光出射面３４Ｂの法線Ｎ２に対する角度θ１によって規定される。
【００７５】
図１９は、このようなウェッジプリズム３４および光線Ｂｉｎ、ＢｏｕｔをＸ軸の周りに角度θ０だけ回転させた状態を示す図である。この回転により、出射光線ＢｏｕｔはＺ軸に平行になる。また、入射光線Ｂｉｎが水平面３５に対して形成する角度は２×θ０に等しくなる。
【００７６】
以上のことから明らかなように、入射光線ＢｉｎがＺ軸に対して角度２×θ０だけ傾斜した方向に伝搬しているとき、すなわち、仰角Ω＝２×θ０のとき、Ｘ軸の周りに角度θ０だけ回転したウェッジプリズム３４を用いることにより、出射光線ＢｏｕｔをＺ軸に平行にすることが可能になる。
【００７７】
入射光線ＢｉｎがＺ軸に対して傾斜している角度（仰角Ω）は、前述したように、速軸コリメータレンズＦＡＣのアライメントずれに応じて異なり得る。このため、光路の補正に必要なウェッジプリズム３４の傾斜角度θ０は、個々の光源ユニット１００Ｘによって異なり得る。
【００７８】
また、前述したように、方位角Φの補正が必要な場合もある。そのような場合、図１７Ｃに示されるように、ウェッジプリズム３４をＺ軸の周りに回転させることにより、仰角Ωおよび方位角Φの両方を充分に小さくすることが可能になる。通常、仰角Ωおよび方位角Φは、いずれも、１．０度以下の小さな値を有しているため、図１７Ｃに示されるように、ウェッジプリズム３４を大きな角度で回転させる必要はない。また、通常、仰角Ωに比べて方位角Φは小さいため、仰角Ωをゼロにする補正を行った後、ウェッジプリズム３４を僅かに回転させるだけでも、方位角Φの補正が可能になる。
【００７９】
本開示の実施形態では、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣのアライメントが完了した後、コリメートビームＢの伝搬方向を調整するとき、光路上にウェッジプリズム３４を配置して、その傾斜角度θ０を調整する。具体的には、前もって角度θ０が異なる大きさで傾斜した複数のウェッジプリズム３４を用意しておき、それらの中から、仰角Ωを最小にするウェッジプリズム３４を選択することができる。そして、そのようにして選択されたウェッジプリズム３４をＺ軸周りに回転させ、方位角Φも最小化すればよい。その後、接着剤または硬化樹脂を用いてウェッジプリズム３４の位置および向きを固定すればよい。前もって用意され得るウェッジプリズム３４の個数は、例えば７個であり、傾斜角度θ０は、例えば、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、１．０度であり得る。
【００８０】
図２０は、上記の補正作業に適した光路補正素子３２の構成例を示す図である。図２０は、左側に光路補正素子３２の正面を示し、右側に光路補正素子３２の断面を示す図である。図２０の光路補正素子３２は、シリンダ（筒状ホルダ）３６と、シリンダ３６の内側に傾斜角度θ０で固定された円形のウェッジプリズム３４とを有している。このような光路補正素子３２は、図２１に示されるような支持台３８に固定され得る。この支持台３８は、シリンダ３６に囲まれたウェッジプリズム３４の一部を受け入れる凹部を有している。図２１の例において、この凹部は断面の概略形状がＶ字型の溝である。このようなＶ字型の溝によれば、前述したウェッジプリズム３４のＺ軸周りの回転を容易に行うことが可能になる。
【００８１】
図２２は、複数の光源ユニット１００Ｘを備えるレーザ光源モジュール２００の構成例を示す斜視図である。このレーザ光源モジュール２００は、光源ユニット１００Ｘが光路補正素子３２を有している点で、図８のレーザ光源モジュール２００とは異なるが、その他の点においては、共通の構成を備えている。
【００８２】
図２２に示される例では、各光源ユニット１００Ｘが光路補正素子３２を有しているが、本開示の実施形態は、このような例に限定されない。光路補正が不要な光源ユニット１００Ｘは、光路補正素子３２を備えている必要はない。複数の光源ユニット１００Ｘのそれぞれが光路補正素子３２を有している場合、個々の光路補正素子３２が有する傾斜角度θ０の大きさは、それぞれに必要な補正量に応じて相互に異なり得る。
【００８３】
簡単のため、図２２では詳細な記載が省略されているが、サポート１４０の載置面１４０Ｔには、光路補正素子３２におけるウェッジプリズム３４の一部を受け入れる凹部が設けられている。ウェッジプリズム３４の外周は、必要に応じてシリンダのような部材によって囲まれていてもよい。図２２の例において、各光路補正素子３２は、サポート１４０に固定されている。
【００８４】
図２２のレーザ光源モジュール２００によれば、コリメートビームＢが適切に収束光学系１６０に入射するため、不図示の光ファイバに対して、より高い効率で光結合を実現することが可能になる。
【００８５】
なお、上記の各実施形態における光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードであるが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードに限られず、ＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）などの表面出射型レーザタイオードであってもよい。表面出射型レーザダイオードを用いる場合、エミッタ領域は、レーザダイオードの半導体基板の主面に垂直であり、エミッタ領域から出射されたレーザビームの光軸は、半導体基板の主面に垂直である。表面出射型レーザタイオードを用いる場合、エミッタ領域から出射されるレーザ光は、光軸周りに対称なビーム形状を持ち得る。その場合、第１レンズ系２０から像面を通過したレーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系３０は、速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを有する必要はなく、１個のコリメータレンズによっても実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本開示の光源ユニットは、コリメートビームまたは収束ビームの速軸サイズを小さくすることが求められる様々な用途に利用され得る。特に複数のレーザビームを結合して高出力のレーザビームを実現するために用いられ得る。また、本開示のレーザ光源モジュールおよびダイレクトダイオードレーザ装置は、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。更に、本開示のレーザ光源モジュールは、ＤＤＬ装置以外の用途、例えばファイバレーザ装置の励起光源としても利用され得る。
【符号の説明】
【００８７】
１０・・・半導体レーザパッケージ、１２・・・ＬＤ、１４・・・窓部材、２０・・・第１レンズ系、２２・・・像面、２４・・・対物レンズ系、２６・・・結像レンズ系、３０・・・第２レンズ系、１００・・・光源ユニット、１２０・・・ビームコンバイナ、１４０・・・サポート、１６０・・・収束光学系、３００・・・光伝送ファイバ、４００・・・加工ヘッド、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置、Ｂ・・・ビーム、Ｍ・・・ミラー、ＦＡＣ・・・速軸コリメータレンズ、ＳＡＣ・・・遅軸コリメータレンズ、ＦＡＦ・・・速軸収束レンズ、ＳＡＦ・・・遅軸収束レンズ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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