(57)【要約】  コリメートレンズは、レーザ光を出射する半導体レーザからのレーザ光をコリメートする。透過型光学素子は、コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げる。集光レンズは、透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する。温度検出部は、透過型光学素子の温度を検出する。温調素子は、透過型光学素子の温度を調整する。温度制御部は、温度検出部で検出された温度に基づき温調素子を制御することにより透過型光学素子の温度を所定の温度に制御する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、
前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、
前記透過型光学素子の温度を検出する温度検出部と、
前記透過型光学素子の温度を調整する温調素子と、
前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の温度を所定の温度に制御する温度制御部と、
を備えるレーザ装置。
【請求項２】
レーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、
前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、
前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置され、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する複数の温度検出部と、
前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置され、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する複数の温調素子と、
前記透過型光学素子の前記複数の辺に、前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御部と、
を備えるレーザ装置。
【請求項３】
前記温度制御部は、前記ファイバのコアへ入射する光量が最大となるように前記透過型光学素子の複数の辺の温度を制御する請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
レーザ光を出射する複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザに対応して配置され、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記複数のコリメートレンズに対応して配置され、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための複数の透過型光学素子と、
前記複数の透過型光学素子で曲げられた複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、
各々の前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置され、各々の前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する複数の温度検出部と、
各々の前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置され、各々の前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する複数の温調素子と、
各々の前記透過型光学素子の各辺毎に、前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御部と、
を備えるレーザ装置。
【請求項５】
前記温度制御部は、前記ファイバのコアへ入射する光量が最大となるように前記透過型光学素子の複数の辺の温度を制御する請求項４記載のレーザ装置。
【請求項６】
レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズとを備えたレーザ装置の透過型光学素子の温度制御方法であって、
前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置された複数の温度検出部により前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する温度検出工程と、
前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置された複数の温調素子により、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する温度調整工程と、
前記透過型光学素子の前記複数の辺に、前記温度検出部で検出された温度に基づき温度制御部により前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御工程と、
を備える透過型光学素子の温度制御方法。
【請求項７】
前記温度制御部は、前記ファイバのコアへ入射する光量が最大となるように前記透過型光学素子の複数の辺の温度を制御する請求項６記載の透過型光学素子の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの出力を透過型光学素子を通してファイバに結合するレーザ装置及び透過型光学素子の温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザや固体レーザの出力をファイバに結合するレーザ装置は、例えば、特許文献１に記載された発光装置が知られている。【０００３】
特許文献１に記載された発光装置は、複数の光源からの出射光をコリメートして、コリメートされた光を透過型光学素子（プリズム）によりビーム径を変更したり、光路を変更している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−７２９５６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、透過型光学素子を用いてビームを伝搬する際に、透過型光学素子のビーム吸収による温度変化や環境温度の変化によって、透過型光学素子の屈折率が変化する。【０００６】
このため、ビームの光路が変わるため、半導体レーザの出力がファイバに結合されるファイバ結合効率が変化してしまう。特に、光路長が長くなる複数の半導体レーザからの光を合成するようなレーザ装置においては、ファイバ結合効率が大幅に変化する。【０００７】
本発明は、光路長が長い場合でもファイバ結合効率を安定化及び最適化することができるレーザ装置及び透過型光学素子の温度制御方法を提供する。
【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、本発明のレーザ装置は、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、前記透過型光学素子の温度を検出する温度検出部と、前記透過型光学素子の温度を調整する温調素子と、前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の温度を所定の温度に制御する温度制御部を備える。【０００９】
また、本発明のレーザ装置は、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置され、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する複数の温度検出部と、前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置され、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する複数の温調素子と、前記透過型光学素子の前記複数の辺に、前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御部を備える。【００１０】
また、本発明のレーザ装置は、レーザ光を出射する複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザに対応して配置され、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズに対応して配置され、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための複数の透過型光学素子と、前記複数の透過型光学素子で曲げられた複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、各々の前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置され、各々の前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する複数の温度検出部と、各々の前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置され、各々の前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する複数の温調素子と、各々の前記透過型光学素子の各辺毎に、前記温度検出部で検出された温度に基づき前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御部とを備える。【００１１】
透過型光学素子の温度制御方法は、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光の光路を曲げるための透過型光学素子と、前記透過型光学素子で曲げられたレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズとを備えたレーザ装置の透過型光学素子の温度制御方法であって、前記透過型光学素子の複数の辺に対応して配置された複数の温度検出部により前記透過型光学素子の対応する辺の温度を検出する温度検出工程と、前記透過型光学素子の前記複数の辺に対応して配置された複数の温調素子により、前記透過型光学素子の対応する辺の温度を調整する温度調整工程と、前記透過型光学素子の前記複数の辺に、前記温度検出部で検出された温度に基づき温度制御部により前記温調素子を制御することにより前記透過型光学素子の対応する辺の温度を制御する温度制御工程とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度制御部は、温度検出部で検出された温度に基づき温調素子を制御することにより透過型光学素子の温度を所定の温度に制御するので、光路長が長い場合でもファイバ結合効率を安定化及び最適化することができる。【００１３】
また、温度制御部は、透過型光学素子の前記複数の辺に、温度検出部で検出された温度に基づき温調素子を制御することにより透過型光学素子の対応する辺の温度を制御するので、透過型光学素子内の温度勾配に応じて屈折率分布が生じ、透過型光学素子内の光路が曲げられる。即ち、透過型光学素子の温度制御によりファイバ結合効率を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施例１のレーザ装置の構成図である。
【図２】図２は本発明の実施例２のレーザ装置の構成図である。
【図３】図３は本発明の実施例２の変形例のレーザ装置の構成図である。
【図４】図４は本発明の実施例３のレーザ装置を側面から見た構成図である。
【図５】図５は本発明の実施例３のレーザ装置を下側から見た構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係るレーザ装置を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例１のレーザ装置の構成図である。
【００１６】
実施例１のレーザ装置は、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、プリズム３、ホルダ４、集光レンズ５、ファイバ６、ペルチェ素子７、ヒートシンク８、サーミスタ９、温度制御部１０を備えている。
【００１７】
半導体レーザ１は、レーザ光を出射する。コリメートレンズ２は、半導体レーザ１からのレーザ光をコリメートする。
【００１８】
プリズム３は、本発明の透過型光学素子に対応し、例えば縦に長い４つの辺と４つの辺に対して傾斜した２つの斜辺とからなり、コリメートレンズ２でコリメートされたレーザ光の光路を２つの斜辺で曲げて、集光レンズ５に導く。
【００１９】
集光レンズ５は、プリズム３で曲げられたレーザ光を集光してファイバ１のコアに結合する。プリズム３は、ホルダ４に固定されており、プリズム３の周辺部で且つホルダ４内にサーミスタ９が設けられている。サーミスタ９は、本発明の温度検出部に対応し、プリズム３の温度を検出する。
【００２０】
ホルダ４にはペルチェ素子７が取り付けられており、ペルチェ素子７は、本発明の温調素子に対応し、ホルダ４内のプリズム３の温度を調整する。温調素子は、ペルチェ素子７以外の素子を用いてもよい。
【００２１】
ペルチェ素子７には、ペルチェ素子７の放熱を行うヒートシンク８が取り付けられている。温度制御部１０は、サーミスタ９で検出された温度に基づきペルチェ素子７を制御することによりプリズム３の温度を所定の温度に制御する。
【００２２】
このように実施例１のレーザ装置によれば、温度制御部１０は、サーミスタ９で検出された温度に基づきペルチェ素子７を制御することによりプリズム３の温度を所定の温度に制御し、プリズム内の屈折率分布の変動を抑制することができる。
【００２３】
従って、プリズム３を用いてビーム伝搬を行っても、特に、光路長が長い場合でもファイバ結合効率を安定化及び最適化することができる。
【００２４】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２のレーザ装置の構成図である。図２（ａ）は実施例２のレーザ装置の正面図、図２（ｂ）は実施例２のレーザ装置の上面図である。図２に示す実施例２のレーザ装置は、図１に示す実施例１のレーザ装置に対して、以下の点が異なる。
【００２５】
プリズム３の辺３ａにはホルダ４ａが配置され、プリズム３の辺３ｂにはホルダ４ｂが配置され、プリズム３は、ホルダ４ａ，４ｂにより固定されている。ホルダ４ａ内にはサーミスタ９ａが配置され、ホルダ４ｂ内にはサーミスタ９ｂが配置されている。
【００２６】
サーミスタ９ａは、プリズム３の辺３ａの温度を検出して、第１温度情報を温度制御部１０に出力する。サーミスタ９ｂは、プリズム３の辺３ｂの温度を検出して、第２温度情報を温度制御部１０に出力する。
【００２７】
ペルチェ素子７ａは、プリズム３の辺３ａ及びホルダ４ａに対応して配置され、ホルダ４ａを介してプリズム３の辺３ａの温度を調整する。ペルチェ素子７ｂは、プリズム３の辺３ｂ及びホルダ４ｂに対応して配置され、ホルダ４ｂを介してプリズム３の辺３ｂの温度を調整する。
【００２８】
温度制御部１０は、サーミスタ９ａで検出された第１温度情報に基づきペルチェ素子７ａを制御することによりプリズム３の辺３ａの温度を制御し、サーミスタ９ｂで検出された第２温度情報に基づきペルチェ素子７ｂを制御することによりプリズム３の辺３ｂの温度を制御する。
【００２９】
このように実施例２のレーザ装置の動作、即ち、プリズムの温度制御方法を説明する。まず、サーミスタ９ａは、プリズム３の辺３ａの温度を検出して、第１温度情報を温度制御部１０に出力する。サーミスタ９ｂは、プリズム３の辺３ｂの温度を検出して、第２温度情報を温度制御部１０に出力する。
【００３０】
ペルチェ素子７ａは、プリズム３の辺３ａの温度を調整する。ペルチェ素子７ｂは、プリズム３の辺３ｂの温度を調整する。
【００３１】
さらに、温度制御部１０は、サーミスタ９ａで検出された第１温度情報に基づきペルチェ素子７ａを制御することによりプリズム３の辺３ａの温度を制御する。温度制御部１０は、サーミスタ９ｂで検出された第２温度情報に基づきペルチェ素子７ｂを制御することによりプリズム３の辺３ｂの温度を制御する。例えば、温度制御部１０は、プリズム３の辺３ａの温度とプリズム３の辺３ｂの温度とを同じ温度に制御することができる。
【００３２】
また、温度制御部１０は、プリズム３の辺３ａの温度とプリズム３の辺３ｂの温度とに温度差を付けるように制御することができる。この場合には、プリズム３内の屈折率分布の変化に伴い、光の方向を制御することができる。従って、プリズム３の温度制御によりファイバ結合効率を調整することができる。
【００３３】
また、温度制御部１０は、ファイバ６のコアへ入射する光量が最大となるように、即ち、ファイバ結合効率が最大になるように、プリズム３の辺３ａの温度とプリズム３の辺３ｂの温度とを制御するようにしても良い。このように制御すれば、ファイバ結合効率を最大にすることができる。
【００３４】
また、例えば、プリズム３の上面と下面の温度を制御する場合、上面の温度を下面の温度よりも高くすると、プリズム３の温度勾配に応じて屈折率分布が生じ、プリズム３内の光路が真直ぐではなく、上方向に曲げられる。これによれば、プリズム３の温度制御によりファイバ結合効率を調整することができる。
【００３５】
（実施例２の変形例）
図３は本発明の実施例２の変形例のレーザ装置の構成図である。図３に示す実施例２の変形例のレーザ装置は、プリズム３の辺３ａ，３ｂとは別の辺３ｃに対応してサーミスタ９ａが配置されている。また、プリズム３の辺３ａ，３ｂとは別の辺３ｄに対応してサーミスタ９ｂが配置されている。
【００３６】
サーミスタ９ａは、プリズム３の辺３ｃの温度を検出して、第３温度情報を温度制御部１０に出力する。サーミスタ９ｂは、プリズム３の辺３ｄの温度を検出して、第４温度情報を温度制御部１０に出力する。
【００３７】
ペルチェ素子７ａは、プリズム３の辺３ｃに対応して配置され、プリズム３の辺３ｃの温度を調整する。ペルチェ素子７ｂは、プリズム３の辺３ｄに対応して配置され、プリズム３の辺３ｄの温度を調整する。ペルチェ素子７ａの外側にホルダ４ａが配置され、ペルチェ素子７ｂの外側にホルダ４ｂが配置されている。
【００３８】
温度制御部１０は、サーミスタ９ａで検出された第３温度情報に基づきペルチェ素子７ａを制御することによりプリズム３の辺３ｃの温度を制御し、サーミスタ９ｂで検出された第４温度情報に基づきペルチェ素子７ｂを制御することによりプリズム３の辺３ｄの温度を制御する。
【００３９】
また、温度制御部１０は、ファイバ６のコアへ入射する光量が最大となるように、即ち、ファイバ結合効率が最大になるように、プリズム３の辺３ｃの温度とプリズム３の辺３ｄの温度とを制御する。
【００４０】
このように実施例２の変形例のレーザ装置によれば、実施例２のレーザ装置の動作と同様に動作し、且つ同様な効果が得られる。
【００４１】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３のレーザ装置を側面から見た構成図である。図５は本発明の実施例３のレーザ装置を下側から見た構成図でプリズム３Ａ，３Ｂの周辺のみを示す図ある。
【００４２】
レーザ装置は、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｄ、複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｄ、複数のプリズム３Ａ〜３Ｄ、集光レンズ５、ファイバ６を備えている。
【００４３】
複数の半導体レーザ１ａ〜１ｄの各々は、図４に示すように複数のレーザ素子からなり、複数のレーザ素子の各々は、レーザ光を出射する。
【００４４】
複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｄは、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｄに対応して配置されている。複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｄの各々は、図４に示すように複数のコリメートレンズ素子からなり、複数のコリメートレンズ素子は、複数のレーザ素子からのレーザ光をコリメートする。
【００４５】
複数のプリズム３Ａ〜３Ｄは、複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｄに対応して配置され、ホルダ４Ａ〜４Ｄに固定され、コリメートレンズ２ａ〜２ｄでコリメートされたレーザ光の光路を曲げる。プリズム３Ａ，３Ｄは、プリズム３Ｂ，３Ｃよりも大きい。
【００４６】
集光レンズ５は、複数のプリズム３Ａ〜３Ｄで曲げられた複数のレーザ光を集光してファイバ６に結合する。
【００４７】
図５では、プリズム３Ａ，３Ｂについて示す。プリズム３Ａの辺３ａＡにはホルダ４ａＡが配置され、プリズム３Ａの辺３ｂＡにはホルダ４ｂＡが配置され、プリズム３Ａは、ホルダ４ａＡ，４ｂＡにより固定されている。ホルダ４ａＡ内にはサーミスタ９ａＡが配置され、ホルダ４ｂＡ内にはサーミスタ９ｂＡが配置されている。
【００４８】
サーミスタ９ａＡは、プリズム３Ａの辺３ａＡの温度を検出して、温度情報を温度制御部１０に出力する。サーミスタ９ｂＡは、プリズム３Ａの辺３ｂＡの温度を検出して、温度情報を温度制御部１０に出力する。
【００４９】
ペルチェ素子７ａＡは、プリズム３Ａの辺３ａＡ及びホルダ４ａＡに対応して配置され、ホルダ４ａＡを介してプリズム３Ａの辺３ａＡの温度を調整する。ペルチェ素子７ｂＡは、プリズム３Ａの辺３ｂＡ及びホルダ４ｂＡに対応して配置され、ホルダ４ｂＡを介してプリズム３Ａの辺３ｂＡの温度を調整する。
【００５０】
温度制御部１０は、サーミスタ９ａＡで検出された温度情報に基づきペルチェ素子７ａＡを制御することによりプリズム３Ａの辺３ａＡの温度を制御し、サーミスタ９ｂＡで検出された温度情報に基づきペルチェ素子７ｂＡを制御することによりプリズム３Ａの辺３ｂＡの温度を制御する。
【００５１】
また、温度制御部１０は、ファイバ６のコアへ入射する光量が最大となるように、即ち、ファイバ結合効率が最大になるように、プリズム３Ａの辺３ａＡの温度とプリズム３Ａの辺３ｂＡの温度とを制御する。
【００５２】
次に、プリズム３Ｂの辺３ａＢにはホルダ４ａＢが配置され、プリズム３Ｂの辺３ｂＢにはホルダ４ｂＢが配置され、プリズム３Ｂは、ホルダ４ａＢ，４ｂＢにより固定されている。ホルダ４ａＢ内にはサーミスタ９ａＢが配置され、ホルダ４ｂＢ内にはサーミスタ９ｂＢが配置されている。
【００５３】
サーミスタ９ａＢは、プリズム３Ｂの辺３ａＢの温度を検出して、温度情報を温度制御部１０に出力する。サーミスタ９ｂＢは、プリズム３Ｂの辺３ｂＢの温度を検出して、温度情報を温度制御部１０に出力する。
【００５４】
ペルチェ素子７ａＢは、プリズム３Ｂの辺３ａＢ及びホルダ４ａＢに対応して配置され、ホルダ４ａＢを介してプリズム３Ｂの辺３ａＢの温度を調整する。ペルチェ素子７ｂＢは、プリズム３Ｂの辺３ｂＢ及びホルダ４ｂＢに対応して配置され、ホルダ４ｂＢを介してプリズム３Ｂの辺３ｂＢの温度を調整する。
【００５５】
温度制御部１０は、サーミスタ９ａＢで検出された温度情報に基づきペルチェ素子７ａＢを制御することによりプリズム３Ｂの辺３ａＢの温度を制御し、サーミスタ９ｂＢで検出された温度情報に基づきペルチェ素子７ｂＢを制御することによりプリズム３Ｂの辺３ｂＢの温度を制御する。
【００５６】
また、温度制御部１０は、ファイバ６のコアへ入射する光量が最大となるように、即ち、ファイバ結合効率が最大になるように、プリズム３Ｂの辺３ａＢの温度とプリズム３Ｂの辺３ｂＢの温度とを制御する。
【００５７】
なお、プリズム３Ｃ，３Ｄについては、図示していないが、プリズム３Ａ，３Ｂと同様である。
【００５８】
このように構成された実施例３のレーザ装置によれば、プリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの各々のプリズム毎に、温度制御部１０がプリズムの２つの辺の温度を制御することで、プリズム内部の屈折率分布を変更させる。
【００５９】
プリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの各々のプリズム毎に、光路を調整することで、各半導体レーザ１ａ〜１ｄの個体差、集光レンズ５の収差を補正することができ、各々のプリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄについて、ファイバ結合効率を最適化して全体として高い出力を得ることができる。
【００６０】
なお、実施例１乃至実施例３のレーザ装置では、プリズム３の２つの辺の温度を制御したが、これに限定されることなく、プリズム３の３つ以上の辺の温度を制御しても良い。この場合には、各辺に対応させて、ホルダ、サーミスタ、ペルチェ素子、ヒートシンクを配置する必要がある。
【００６１】
また、実施例１乃至実施例３のレーザ装置では、プリズム３を用いたが、プリズム３の代わりに、ビームスプリッタを用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、ファイバ結合型レーザ装置に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2019021436.tif 000009
2019021436.tif 000010
2019021436.tif 000011