(57)【要約】      （修正有）【課題】小型であって高出力かつ高集光のレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザモジュール１０は、ベース２の同一平面上に配置され、光ビームをそれぞれ放出する複数のレーザ素子１と、放出された光ビームを平行化するコリメート光学系３と、平行化された光ビームを集光する集光光学系４とを備える。レーザ素子１は、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子である。コリメート光学系３は、平行化された光ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに接する状態で出射するように構成されている。【選択図】図１
2018056148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に配置され、光ビームをそれぞれ放出する複数のレーザ素子と、
前記複数のレーザ素子から放出された光ビームを平行化するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系により平行化された光ビームを集光して合波ビームを成形する集光光学系とを備え、
前記レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ素子であり、
前記コリメート光学系は、前記平行化された光ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに接する状態で出射するように構成された
ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
前記複数のレーザ素子は、六方格子状に配列されたことを特徴とする、
請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記複数のレーザ素子は、単一の半導体基板の上に集積されたことを特徴とする、
請求項１または２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記複数のレーザ素子と前記コリメート光学系との間に配置され、前記複数のレーザ素子から放出された光ビームのビーム径を拡大する凹レンズアレイを備えたことを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記凹レンズアレイと前記コリメート光学系は、複合レンズとして一体化されたことを特徴とする、
請求項４に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記複数のレーザ素子をそれぞれ選択的に点灯させ、前記合波ビームのプロファイルを制御する制御装置を備えたことを特徴とする、
請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記複数のレーザ素子の少なくとも一部は、前記合波ビームが軸対称偏光ビームとなるように、互いに偏光方向の異なる光ビームを放出することを特徴とする、
請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザモジュールと、
前記集光光学系により集光された光ビームを一端側で受け、外部へ伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射した光ビームを被加工材に向けて照射するための加工ヘッドとを備えた
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
同一平面上に配置され、光ビームをそれぞれ放出する複数のレーザ素子と、
前記複数のレーザ素子から放出された光ビームを平行化するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系により平行化された光ビームを集光する集光光学系と、
前記複数のレーザ素子をそれぞれ選択的に点灯させ、前記合波ビームのプロファイルを制御する制御装置を備えた
ことを特徴とするレーザモジュール。
【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、およびレーザモジュールを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザモジュールは、光源としての複数のレーザ素子（半導体レーザ素子）と、レーザ素子の数に対応した数のコリメートレンズ（またはレンズアレイ）と、集光レンズとを備えており、レーザ素子が放出する光ビームをコリメートレンズで平行化するとともに集光レンズにより集光し、光ファイバに結合している。
【０００３】
例えば非特許文献１に開示されたレーザモジュールでは、レーザ素子として垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子が用いられており、レーザ素子から放出される光ビームをマイクロレンズアレイで平行化するとともに集光レンズを用いて集光することが開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されたレーザモジュールでは、非特許文献１と同じくＶＣＳＥＬ素子が用いられており、また、コリメートレンズと集光レンズの機能を兼ねる複数のレンズが用いられている。特に、複数のレンズとして集積化されたマイクロレンズアレイを用いることにより、レーザ素子の数を増やすことができ、高出力ビームが得られるとのことである。
【０００５】
非特許文献２には、光の波長と同程度の周期構造（フォトニック結晶構造）が活性層近傍に設けられた面発光型の半導体レーザ素子（フォトニック結晶面発光レーザ素子：ＰＣＳＥＬ素子）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２４８５８１号公報（１２頁１〜８行、２９〜３１行、図１８）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Collimating Diode Laser Beams from a Large-Area VCSEL-Array Using Microlens Array. (Hao-Lin Chen, et al. Photonics Technology Letters, IEEE (Volume:11, Issue: 5 )）
【非特許文献２】Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers. (K Hirose, et al. nphoton. 2014. 75)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ファイバ結合を行う際、集光レンズにより集光される平行ビームが互いに接しない状態であると、ファイバ結合後の光ビームの集光性は、平行ビームが互いに接する状態である場合に比べて低下する。従って、複数の光ビームを１本の光ファイバに結合する場合、集光性の高い結合ビームを得るために互いに接した状態の平行ビームを作ることが望ましい。
【０００９】
特許文献１と非特許文献１で用いられるＶＣＳＥＬ素子では、一般に発光面近傍のビームサイズ（発光面積）が小さく、これにより出射する光ビームの発散角が大きくなる。従って、出射した後すぐに、隣り合う光ビームどうしが互いに重なり合うことになってしまい、ファイバ結合後の光ビームの集光性が低下してしまう。
【００１０】
この問題は、レーザ素子の配置間隔を広げる、あるいはコリメートレンズをレーザ素子から遠ざけることより解消可能である。しかし、レーザ素子の配置間隔を広げると、光軸に対して直交する方向にモジュールが大型化してしまう。また、コリメートレンズをレーザ素子から遠ざけると、光ビームの発散角が大きいことに起因して、光軸方向だけでなく、光軸に対して直交する方向にもモジュールが大型化してしまう。そこで、互いに接した状態の平行ビームを作るために、コリメートレンズの設置位置と焦点距離を充分に短くする必要がある。
【００１１】
しかし、コリメートレンズの焦点距離を短くすると曲率が大きくなるため、レンズの作製要求精度が高くなってしまう。また、焦点距離が約１ｍｍ以下の短焦点レンズを用いる場合には、非球面レンズを用いて収差を抑えることが必要となるが、非球面レンズは高精度な作製が困難であり好ましくない。
【００１２】
また、コリメートレンズの焦点距離が短くなると、コリメートレンズの位置ずれが光ビームの出射方向のずれに与える影響が大きくなることから、コリメートレンズのアライメントにおいて微調整が必要となる。従って、レーザ素子に電力を供給して光ビームを出射させた状態で、コリメートレンズアレイを透過した後の光ビームを観察しながらアライメントが行われており、光学系の調整が複雑化するという問題が生じていた。これは同時に、レーザモジュールをマウント部材の上に実装した後に、各光学素子の位置ずれによる出力低下等の問題が起こりやすいことを意味する。
【００１３】
さらに、ＶＣＳＥＬ素子では、発光面積が大きくなると集光性が悪化することが知られている。発光面積が小さいままで高出力化を行うと、発光面でのエネルギ密度が増大し、レーザ素子の破壊につながる。従って、発光面積の小さいＶＣＳＥＬ素子は、高出力かつ高集光のレーザ光源としては不向きである。
【００１４】
以上の問題は、レーザ素子として端面発光型半導体レーザ（ＥＥＬ）を用いた場合にも同様に生じる。
【００１５】
このように、先行技術では、高い集光性を保ったままでの高出力化が光源の制約、光学系の調整の面で難しく、半導体レーザアレイを板金切断等の高出力を要する用途に使用することが困難であった。
【００１６】
本発明は、小型であって高出力かつ高集光のレーザモジュールを実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るレーザモジュールは、同一平面上に配置され、光ビームをそれぞれ放出する複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子から放出された光ビームを平行化するコリメート光学系と、コリメート光学系により平行化された光ビームを集光して合波ビームを成形する集光光学系とを備える。レーザ素子は、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子である。コリメート光学系は、平行化された光ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに接する状態で出射するように構成されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光面積が大きく発散角の小さいフォトニック結晶面発光レーザ素子を用いることにより、小型であって高出力かつ高集光のレーザモジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザモジュールを示す構成図である。
【図２】複数のレーザ素子が配置されたベースを光ビームの出射方向から見た図である。
【図３】ＰＣＳＥＬ素子の例示的な構造を示す断面図ある。
【図４】フォトニック結晶層内部における光の振る舞いを示す図である。
【図５】フォトニック結晶層内部における光の振る舞いを示す図であり、図５（ａ）は光の面内共振を、図５（ｂ）は光の面直取り出しを示す。
【図６】本発明の実施の形態２によるレーザモジュールを示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態３によるレーザモジュールを示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３の変形例によるレーザモジュールの複合レンズを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４によるレーザモジュールで行われるレーザ素子の点灯制御を説明するための図である。
【図１０】高集束ガウスモード（ａ）、ドーナツ型（ｂ）およびトップハット型（ｃ）の光ビームの強度分布を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態５によるレーザモジュールで行われる合波ビームの偏光制御を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態５によるレーザモジュールで行われる合波ビームの偏光制御を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態６によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１４】レーザ加工装置に適したレーザ素子の配置を示す図である。
【図１５】（ａ）焦点距離の長い平凸レンズ、（ｂ）焦点距離の短い平凸レンズを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一または同様の構成には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザモジュールを示す構成図である。
レーザモジュール１０は、複数のレーザ素子１、コリメートレンズアレイ３、集光レンズ４などを備える。例えば、レーザモジュール１０は、光ファイバ２０と一緒にマウント部材（図示せず）の上に実装され、レーザモジュール１０から出射するレーザビーム（光ビーム）を光ファイバ２０に結合するように構成されている。このレーザモジュール１０は、材料加工（金属、ガラス、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、樹脂などの切断加工、溶接）、光通信などに利用される。
【００２２】
複数のレーザ素子１は、ベース２の主面（同一平面）上に実装されており、それぞれ光ビームを放出する。レーザ素子１は、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子である。ベース２は板状であるが、レーザ素子を冷却するための冷却機構、レーザ素子に電力を供給するための給電回路などを含んでもよい。図２に示すように、複数のレーザ素子１は六方格子状に配置されており、これにより出射ビームが稠密に並ぶ。
【００２３】
なお、図２はレーザ素子１の配置を概略的に示したものであり、レーザ素子の形状、個数、配置間隔はこれに限定されない。例えば、図２ではレーザ素子１を円形に図示しているが、四角形、六角形など他の形状であってもよい。図２では、レーザ素子１は２次元状に配置されているが、１次元状に配置されてもよい。
【００２４】
コリメートレンズアレイ３は、各レーザ素子１から放出された光ビームを平行ビームに変換する。コリメートレンズアレイ３では、複数のレーザ素子１が放出する光ビームをそれぞれ同軸上で受けるように、レーザ素子１の数に対応した複数のコリメートレンズが集積されている。また、コリメートレンズアレイ３では、複数のレーザ素子１が六方格子状に配置されていることに対応して、コリメートレンズが六方稠密に配列されている。また、コリメートレンズアレイ３は、隣り合う光ビームどうしが互いに接する（または略接する）位置に配置される。このとき、レーザ素子１とコリメートレンズアレイ３との間の距離は、光ビームの発散角とレーザ素子１の発光面でのビーム径とに基づいて決定される。
【００２５】
上記コリメートレンズアレイ３の構成により、平行ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに接する状態でコリメートレンズアレイ３から出射する。
【００２６】
ここで、光ビームどうしが互いに接するとは、光ビームのビーム径がコリメートレンズアレイ３に含まれる各レンズの有効径に一致することをいう。また、一般的に、光ビームのビーム径は、光軸に対して直交する面において、光ビームの放射強度がピーク値（または光軸上の値）の１／ｅ２（１３．５％）となるときの強度分布の幅と定義されるが、本発明の実施形態における「ビーム径」はこのように定義された大きさに限定されることなく、必要な光ビームのエネルギ切出し率に応じて変化させることができる。
【００２７】
集光レンズ４は、コリメートレンズアレイ３から出射した複数の平行ビームを、光ファイバ２０のコアの結合端面に向けて集光する。コリメートレンズアレイ３から出射する平行ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに接しているので、集光レンズ４が成形する合波ビームについても、隣り合う光ビームどうしが互いに接することになる。ここで、ファイバ結合時の光ビームの入射角θは、光ファイバ２０のＮＡ（開口数）に対応する最大受光角θｍａｘ以下の値である必要がある。集光レンズ４の焦点距離は、入射角θが最大受光角θｍａｘ以下の値となるように、集光レンズ４と光ファイバ２０との間の距離に基づいて決定される。
【００２８】
なお、コリメートレンズアレイ３はコリメート光学系の一例であり、集光レンズ４は集光光学系の一例である。例えば、コリメート光学系として複数のコリメートレンズが用いられてもよいし、コリメート光学系と集光光学系の機能を兼ねるレンズが用いられてもよい。
【００２９】
上記レーザモジュール１０から出射した合波ビームは、隣り合う光ビームが互いに接した状態でファイバ結合される。これにより、ファイバ結合後の光ビームの集光性が向上する。光ファイバ２０に入射した複数の光ビームは、光ファイバ２０のコアを伝搬して１本の光ビームに結合され、光ファイバ２０の出射端面から高エネルギの光ビームとして出射する。
【００３０】
本実施形態１のように、光ファイバ２０を用いて光ビームを外部に伝送することにより、複雑なビーム伝送光学系が必要とならず、これはさまざまな応用にとって好都合である。また、ファイバ結合前の強度分布が、ファイバ伝送の過程で均一化され、従ってビーム品質を向上させることができる。特に、ファイバ伝送により、２次元レーザ加工にとって重要な要素である光ビームの回転対称性が実現される。
【００３１】
次に、ＰＣＳＥＬ素子について説明する。
ＰＣＳＥＬ素子は、光の波長と同程度の周期を有するフォトニック結晶構造が活性層近傍に設けられた面発光型の半導体レーザ素子であり、一様なコヒーレント光を放出可能である。ＰＣＳＥＬ素子の作製に用いられる半導体材料とフォトニック結晶構造の周期とを調節することにより、ＰＣＳＥＬ素子から出射する光ビームの波長を制御できる。
【００３２】
具体的には、従来のレーザダイオードでは、出射ビームの横モードが発光面の面積に応じて変化し、高出力化のために発光面を大きくするほど光ビームの集光性が低下するという問題があった。これに対してＰＣＳＥＬ素子では、発光面を大きくしても高い集光性を維持したまま高出力化しうることが知られている。また、縦モードについては、従来のレーザダイオードでは活性層のゲイン幅に応じた一定領域の波長を含む光ビームが出射するのに対して、ＰＣＳＥＬ素子ではフォトニック結晶の格子定数で規定された単一波長の光ビームのみが出射する。
【００３３】
図３は、ＰＣＳＥＬ素子の例示的な構造を示す断面図である。図３中、光ビームの放出方向をｚ方向と規定し、＋ｚ側を表側、−ｚ側を裏側とする。
積層体１００の材料としては、例えばＧａＡｓ（ガリウムヒ素）が用いられる。ＰＣＳＥＬ素子は、積層体１００と、積層体１００の表面に設けられた窓状電極１１０と、積層体１００の裏面に設けられた裏面電極１２０と、窓状電極１１０により形成される窓部に設けられたＡＲ(anti reflection)コート（無反射コート）層１３０とを備える。この窓部が光ビームの出射面（発光面）となる。
【００３４】
積層体１００は、基板１０１、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、キャリアブロック層１０４、フォトニック結晶層１０５、ｐ型クラッド層１０６およびｐ型コンタクト層１０７を有する。キャリアブロック層１０４はアンドープ層である。フォトニック結晶層１０５では、符号１０５ａで表されるスラブ層に空孔１０５ｂが形成されている。フォトニック結晶層１０５の格子形状は、正方格子、三角格子、直交格子など任意である。
【００３５】
なお、上記ＰＣＳＥＬ素子の構成において、活性層１０３、キャリアブロック層１０４、フォトニック結晶層１０５層の順序は逆転していてもよい。
【００３６】
窓状電極１１０と裏面電極１２０との間にバイアス電圧を印加すると、活性層１０３で発光が生じ、フォトニック結晶層１０５により変調され、基板面に垂直な方向（ｚ方向）にレーザビームとして放出される。
【００３７】
レーザの発振波長は、フォトニック結晶の材料と周期により決定される。上記ＰＣＳＥＬ素子では、フォトニック結晶層１０５に用いられるＧａＡｓの屈折率は約３．５であり、空孔（空気）の屈折率は１である。空孔１０５ｂの占める体積（１６％）とＰＣＳＥＬ素子の積層構造とを考慮すると、活性層１０３付近の実効屈折率は約３．３程度となる。このとき、フォトニック結晶の周期は９８０ｎｍ／３．３≒２９５ｎｍとなる。ただし、この周期は、積層体１００の積層構造等に応じて変化する。
【００３８】
次に、ＰＣＳＥＬ素子の例示的な製造方法（工程Ｓ１〜Ｓ４を含む）について簡単に説明する。
（Ｓ１）基板１０１の裏面に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、キャリアブロック層１０４およびスラブ層１０５ａを例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりエピタキシャル成長させる。
（Ｓ２）スラブ層１０５ａの上でレジストをパターニングし、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりスラブ層１０５ａをエッチングして空孔１０５ｂを形成することにより、フォトニック結晶層１０５を作製する。
（Ｓ３）フォトニック結晶層１０５の裏面に、ｐ型クラッド層１０６とｐ型コンタクト層１０７を例えば有機金属気相成長法によりエピタキシャル再成長させる。
（Ｓ４）ｎ型クラッド層１０２の表面に窓状電極１１０を、ｐ型コンタクト層１０７の裏面に裏面電極１２０をそれぞれ蒸着により設ける。
【００３９】
次に、フォトニック結晶内部における光の振る舞いを示す図４、図５を用いて、ＰＣＳＥＬが面発光レーザ光源として動作する原理について説明する。
図４は、フォトニック結晶層１０５の上面図である。図４では、例示的に空孔１０５ｂの形状を真円としている。フォトニック結晶層１０５は活性層１０３の近傍に位置するので、活性層１０３で生じた光に対する束縛作用を示す。フォトニック結晶の格子形状は任意であるが、ここでは設計が容易な正方格子状であるとする。フォトニック結晶の格子定数は、活性層１０３で生じる光の波長λと等しい。
【００４０】
例えば、図４（ａ）に矢印で示す波長の光２０１が生じた場合を考える。フォトニック結晶の格子定数がλのとき、光２０１は図４（ｂ）に示すように９０°または１８０°の方向に回折され、それぞれ回折光２０２１，２０２２が生じる。回折光２０２１，２０２２はさらに図４（ｃ）に示すように９０°または１８０°の方向に回折され、それぞれ回折光２０３１，２０３２が生じる。図４（ｃ）では、回折光２０２１と回折光２０３２、および回折光２０２２と回折光２０３２がそれぞれ干渉して定在波を形成することが判る。このように９０°、１８０°方向の回折が繰り返され、回折光が互いに干渉することで、フォトニック結晶内部には結晶方向に沿った定在波が生じることになる。その結果、光が閉じ込められて活性層１０３で光の共振が起こる。
【００４１】
ところで、図４ではフォトニック結晶が形成された平面内での回折を考えたが、フォトニック結晶面に対して垂直な方向にも、当然に強め合いの干渉が生じる。その結果、面内で閉じ込められて共振した光は、面直方向にレーザビームとして取り出されることになる。
【００４２】
図５（ａ）は図４（ｃ）に対応する図であり、光の面内共振を示す。光路差が波長λの２倍に等しい回折光３０１，３０２が互いに干渉する。なお、図４では空孔１０５ｂの形状を真円としたが、図５（ａ）では三角形としている。空孔１０５ｂの形状を三角形とすることにより、真円としたときよりもビーム品質が向上することが判っている。図５（ｂ）は上記光の面直取り出しを示す。光路差が波長λに等しい回折光３０３，３０４が互いに干渉する。
【００４３】
なお、ＰＣＳＥＬ素子において光ビームは両面直方向（２方向）に放出されるところ、１方向のみから出射すればよい用途の場合には、上記ＰＣＳＥＬ素子のように裏面電極１２０による光の反射を利用し、表面側のみから光ビームが出射するような構成とされる。
【００４４】
次に、本実施形態１の利点について説明する。
【００４５】
まず、従来のレーザモジュールによるＶＣＳＥＬ素子では、発光面積が数μｍ四方程度と小さい。従って、出射した後の数ｍｍ以下の位置で、ＶＣＳＥＬ素子から出射した光ビームのうち隣り合う光ビームどうしが互いに重なり合う。そこで、互いに接した状態の平行ビームを作るために、コリメートレンズの設置位置と焦点距離を数百μｍから数ｍｍまで短くする必要がある。
【００４６】
例えば、非特許文献１に記載のＶＣＳＥＬアレイでは、１ｃｍ×１ｃｍの領域に４０×４０個のＶＣＳＥＬ素子が縦横０．２５ｍｍピッチで配置されている。このＶＣＳＥＬアレイから放出される光ビームを平行化するために、焦点距離が０．７７６ｍｍ、曲率半径が０．３５７ｍｍのマイクロレンズアレイが用いられている。
【００４７】
一方、ＰＣＳＥＬ素子が出射する光ビームは、発光面積が数百μｍ四方以上で、発散角が１度程度と小さい。従って、レーザモジュール１０の光軸に対して直交する方向のサイズを小さく保ったまま、レーザ素子１とコリメートレンズアレイ３との間の距離、およびコリメートレンズアレイ３の焦点距離を数十ｍｍから数百ｍｍと大きくすることができる。また、このとき、コリメートレンズアレイ３からは互いに接した状態の平行ビームが出射するので、集光性の高い結合ビームを得ることができる。
【００４８】
例えば非特許文献１の構成と同様に、複数のレーザ素子１を０．２５ｍｍピッチで配置した場合を考える。例えば発光面積が０．２ｍｍ四方で横シングルモード動作するＰＣＳＥＬ素子を考えると、隣り合うレーザ素子１から放出される光ビームが接する状態になるまでに約１２．３ｍｍ伝搬することになる。従って、コリメートレンズの焦点距離も約１２．３ｍｍとなり、非特許文献１の場合の０．７７６ｍｍに比べて１０倍以上大きくすることが可能である。
【００４９】
このように、本実施形態１によれば、コリメートレンズアレイ３の焦点距離を大きくすることができるので、ＶＣＳＥＬ素子を用いた場合のようにレンズの曲率が大きくなることがなく、従って作製要求精度が高くならない。また、収差の影響を考慮しなくてよいので、高精度な作製が困難な非球面レンズなどを用いる必要がない。また、光学系の調整が複雑化するという問題についても解消する。
【００５０】
ここで、光ビームの結合を行う場合には、個々のコリメートレンズの幅と同程度まで、各光ビームのビーム幅を拡げて平行化を行うため、レンズの中心部分だけでなく、周辺部分の作製精度も重要となる。焦点距離が短いコリメートレンズアレイでは、各レンズの曲率が大きくなるため、レンズを密に並べたレンズアレイを作製する場合には、レンズアレイのくぼみ部分の作製精度が低下するという問題も想定される。
【００５１】
図１５に、例として２種類の平凸レンズアレイを示す。（ｂ）に示す長焦点距離のレンズアレイでは、レンズの境界のくぼみ部分Ｖｂの角度が大きく、浅いくぼみになっているのに対して、（ａ）に示す短焦点距離のレンズアレイでは、２つの曲面の境界のくぼみ部分Ｖａの角度が小さく、深いくぼみになっている。従って、短焦点距離のレンズアレイでは作製精度が低下する。
【００５２】
さらに、上記の通り、ＰＣＳＥＬ素子では、発光面積を大きくした場合にも、高い集光性を維持したまま高出力化することができ、従来技術では実現困難であった、高出力かつ高集光のレーザモジュール１０が実現される。
【００５３】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２によるレーザモジュールを示す構成図である。
【００５４】
複数のレーザ素子１をベース２の上に実装する際、互いの配置（位置、角度）がずれると、光ビームの出射位置、出射角度が互いにずれるおそれがある。
【００５５】
そこで、本実施形態２では、図１に示す複数のレーザ素子（ディスクリート素子）１が単一の半導体基板の上にレーザ素子アレイ１１として集積されている。これは、ＰＣＳＥＬ素子は半導体製造プロセスにより作製可能であり、単一の半導体基板上に同時に多数作製して集積化できるという特性を利用したものである。
【００５６】
本実施形態２によれば、複数のレーザ素子１の配置が互いにずれることがなくなるので、複数のレーザ素子１から放出される光ビームの出射位置、出射角度を一様にすることができる。
【００５７】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３によるレーザモジュールを示す構成図である。
【００５８】
ＰＣＳＥＬ素子は、従来の半導体レーザとは異なり、原理的に高い集光性を保ったまま高出力化することができる。ＰＣＳＥＬ素子では、原理的に出力と発光面積がほぼ比例し、発光面積を大きくすることによる高出力化が試みられている。例えば非特許文献２では、０．２ｍｍ×０．２ｍｍの出射面からシングルモードで０．５ＷのＣＷ（連続発振）出力が報告されている。例えば１ｍｍ×１ｍｍのＰＣＳＥＬ素子では、出力が１０Ｗ級となり、金属加工用途への適用が可能となる。
【００５９】
ただし、このレーザ素子を実際にモジュール化する際には、給電、冷却等のために２ｍｍ程度の配置間隔が必要となることがある。この配置において、隣り合う光ビームどうしがコリメートレンズで接する状態にするためには、レーザ素子とコリメートレンズとの間の距離とコリメートレンズの焦点距離を約１１０ｍｍとする必要がある。
【００６０】
コリメートレンズの焦点距離を大きくすることにより、光学系のアライメントが容易になる一方、レーザモジュールの出力変更時に光路長を伸ばす必要があるため、拡張性に課題が残る。また、モジュール全体が大型化するおそれもある。
【００６１】
そこで、本実施形態３では、レーザモジュール１０において、複数のレーザ素子１とコリメートレンズアレイ３との間に凹レンズアレイ５が配置される。この凹レンズアレイ５は、複数のレーザ素子１から放出された各光ビームのビーム径（ビーム発散角）を拡大する機能を有する。すなわち、凹レンズアレイ５とコリメートレンズアレイ３によりビームエキスパンダ（ビーム拡張光学系）が構成される。
【００６２】
本実施形態３によれば、凹レンズアレイ５を用いて光ビームのビーム径を拡大することにより、高出力化に伴う光路長の増大とレーザモジュール１０の大型化を防止できる。
【００６３】
例えば、２ｍｍピッチでレーザ素子が配置されたレーザ素子アレイ１１から５．５ｍｍの位置に、レーザ素子と同数の凹レンズ（焦点距離５．５ｍｍ）が集積化された凹レンズアレイ５を、各レンズが光ビームと同軸上に位置するように設ける。これによりビーム発散角が拡がるため、結果としてレーザ素子アレイ１１から約１２．３ｍｍの位置で、隣り合う光ビームどうしが互いに接することになる。この位置に焦点距離１２．３ｍｍのコリメートレンズアレイ３を配置することにより、実施形態１で例示した光学系と同じ光路長を維持したまま、高出力モジュールの合波光学系を構成することが可能である。この構成により、光学系の大型化を防ぐことが可能となる。
【００６４】
なお、本実施形態３で例示しているレンズの焦点距離は数ｍｍ以上であり、非特許文献１に記載のコリメートレンズの焦点距離０．７７６ｍｍに比べて充分に大きく、従って本実施形態３の構成は、実施形態１で説明した効果（光学系のアライメントが容易になる）を阻害するものではない。また、凹レンズアレイ５とコリメートレンズアレイ３の焦点距離を適当に設計することにより、モジュールのサイズをさらに小型化することも可能である。
【００６５】
なお、本実施形態３では、図７に示すレーザモジュール１０としてレーザ素子アレイ１１を用いているが、図１に示す複数のレーザ素子（ディスクリート素子）１を用いてもよい。
【００６６】
図８は、本発明の実施の形態３の変形例によるレーザモジュールの複合レンズを示す図である。
この変形例では、凹レンズアレイ５とコリメートレンズアレイ３が１つの複合レンズ１５として一体化される。複合レンズ１５に入射した光ビームＬＩＮは複合レンズ１５内で拡げられて、互いに接した状態で平行化されて出射する（光ビームＬＯＵＴ）。
【００６７】
実施の形態４．
図９を用いて、本発明の実施の形態４によるレーザモジュールについて説明する。図９は、後述する図１４に対応する図である。本実施形態４において図９に示されない構成については、実施形態１と同様である。
【００６８】
本実施形態４で、レーザモジュール１０は、複数のレーザ素子１をそれぞれ選択的に点灯／消灯させるように構成された制御装置４０を備える。制御装置４０を用いてレーザ素子１の点灯制御を行うことにより、合波ビームのビームプロファイルは制御される。制御装置４０は、各レーザ素子１の点灯制御パターンを記憶する記憶部、点灯制御を実行する処理部などで構成される。
【００６９】
ここで、ビーム品質を表す量としてＭ２が知られている。光ビームの波長をλ、ビームウェストにおける光ビームの半径をｄ０、光ビームの遠視野での拡がり半角をθとしてＭ２＝πｄ０θ／λで計算できる。同一ビーム径の光ビームで比較すると、Ｍ２値が小さいほどビームの発散が小さくなる。図９に示す複数のレーザ素子１において、より中央に近いレーザ素子１を点灯させ、その周囲のレーザ素子１を消灯することにより、Ｍ２の値をより１に近づけることができる。
【００７０】
図９で、破線４０１、一点鎖線４０２、二点鎖線４０３は、それぞれＭ２〜９、Ｍ２〜１１、Ｍ２〜１３に相当する点灯範囲を示す。この点灯範囲内のレーザ素子１のみを点灯させることにより、レーザモジュール１０の用途に応じてＭ２の値を変更できる。
【００７１】
また、レーザモジュール１０を同じレーザ加工に用いる場合であっても、加工用途によって最適ビーム形状は異なる。例えば、金属薄板切断には、図１０（ａ）に強度分布を示すような高集束ガウスモードの光ビームが適しており、従って中央付近のレーザ素子１のみを点灯させればよい。一方、金属厚板切断には図１０（ｂ）に強度分布を示すようなドーナツ型の光ビームが適しており、従って中央付近のレーザ素子１を消灯させて、その周囲のレーザ素子１を点灯させればよい。また、図１０（ｃ）に強度分布を示すようなトップハット型の光ビームが必要な場合には、すべてのレーザ素子１を点灯させればよい。
【００７２】
本実施形態４によれば、レーザ素子１を選択的に点灯させ、合波ビームのビームプロファイルを制御することにより、光学系の切り替えなどの機械的な変更を行うことなく、集光性に優れ、かつ各加工用途に適した集光強度分布を得ることができる。
【００７３】
実施の形態５．
図１１と図１２を用いて、本発明の実施の形態５によるレーザモジュールについて説明する。本実施形態５において図１１と図１２に示されない構成については、実施形態１と同様である。
【００７４】
一般に、光と物質の相互作用において、光の偏光状態によって吸収率などの特性が変化する。そこで、本実施形態５では、互いに偏光方向の異なる光ビームを放出するように各レーザ素子１を構成することにより、合波ビームの偏光制御を行う。各レーザ素子１が放出する偏光の方向は、フォトニック結晶層１０５に形成された空孔１０５ｂの形状に応じて変化する。例えば空孔１０５ｂの形状を楕円にすることにより、偏光方向を楕円の長径方向に揃えることができる。
【００７５】
偏光方向が図１１（ａ）の矢印５０１で表される光ビームを放出するように各レーザ素子１を配置した場合、合波ビーム５０２は、図１１（ｂ）の矢印５０３に示すように光軸の周囲方向に沿った偏光（アジマス偏光）となる。アジマス偏光をレーザ穴開けに利用する場合、キーホール内壁に対して吸収率が低く反射率が高いＳ偏光が入射するため、キーホール底面へのビーム到達率が高くなり、深孔の加工などを好適に行うことができる。
【００７６】
偏光方向が図１２（ａ）の矢印６０１（図１１（ａ）の矢印５０１に対して直交する）で表される光ビームを放出するように各レーザ素子１を配置した場合、合波ビーム６０２は、図１２（ｂ）の矢印６０３に示すように光軸から半径方向に沿った偏光（ラジアル偏光）となる。ラジアル偏光をレーザ切断に利用する場合、キーホールに対して吸収率が高いＰ偏光が入射するため、物質の切断性能が向上する。
【００７７】
なお、中央のレーザ素子１は必要に応じて取り除かれてもよい。
【００７８】
また、アジマス偏光を作るレーザ素子の組とラジアル偏光を作るレーザ素子の組とを、これらが混在した状態でベース２の上に実装し、実施形態４で説明した制御装置４０を用いて合波ビームの偏光状態を電気的にスイッチングすることができる。これにより、用途に合わせた光ビームを利用してレーザ加工を行うことが可能となる。
【００７９】
なお、本実施形態５では、合波ビームを軸対称偏光ビーム（アジマス偏光、ラジアル偏光）とする例について説明したが、用途に応じて他の偏光状態（例えば直線、円）としてもよい。
【００８０】
実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６によるレーザ加工装置を示す構成図である。
レーザ加工装置１０００は、上記実施形態１〜５のいずれか、またはその任意の組み合わせによるレーザモジュール１０と、レーザモジュール１０から出射した光ビームを伝送する光ファイバ２０と、光ファイバ２０から出射した光ビームを被加工材Ｗに向けて照射するための加工ヘッド３０とを備える。
【００８１】
加工ヘッド３０は中空筒状の部材であり、光ビームを平行化、集光して被加工材Ｗの加工点で光スポットを形成する加工レンズ３１，３２が内部に設けられている。加工レンズ３２により集光された光ビームを通過させるとともにワークＷに向けてアシストガスを供給するように、加工ヘッド３０の先端はノズル状に形成されている。
【００８２】
次に、本実施形態６によるレーザ加工装置１０００に適したレーザ素子１の配置について、図１４を用いて説明する。
例えば板金切断加工用レーザでは、一般に出力約１ｋＷ〜約６ｋＷ、集光性が約４ｍｍ・ｍｒａｄの炭酸ガスレーザまたはファイバレーザが用いられることが多い。このとき、例えば波長９００ｎｍ帯で縦横シングルモード発振するＰＣＳＥＬ素子を光源として用いることを考える。このとき、実施形態１〜５で説明した合波光学系を用いると、図１４に示すように直径方向に１１個のレーザ素子１を六方格子状に並べることにより、約４ｍｍ・ｍｒａｄの集光性を実現可能である。なお、直径方向に９個から１３個のレーザ素子１が並んだ配置であれば、板金切断加工に適した集光性を有する光ビームが得られる。
【００８３】
図１４に示す配置で、レーザ素子１として出力１０Ｗのものを用いた場合、レーザモジュール１０のレーザ出力は約１ｋＷとなる。レーザモジュール１０の出射する合波ビームに対して、偏光が直交した２つの光ビームを重畳する偏光結合と、波長の異なる２つ以上の光ビームを重畳する波長結合とを用いて４倍以上に光ビームを重畳することにより、従来の板金切断レーザと同等の出力（約１ｋＷ〜約６ｋＷ）と集光性を有する光ビームを得ることが可能となる。
【００８４】
また、例えばレーザビームを用いた金属溶接では、集光性が約８ｍｍ・ｍｒａｄ〜約１２ｍｍ・ｍｒａｄのレーザが用いられることが多い。上記板金切断加工の場合と同様に、直径方向にレーザ素子１が２５個から４１個並んだレーザモジュールを用いることにより、金属溶接に適した集光性を有する光ビームが得られる。
【００８５】
なお、図１４では、９１個のレーザ素子１が六方格子状に配置された構造を示したが、レーザ素子１は、六角形が辺の外方に膨らんだ円形に近い形状に配置されてもよい。
【００８６】
以上、上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。また、各実施形態の特徴を任意に組み合わせて別の実施形態が構成されてよい。また、上記実施形態には種々の変形、改良が加えられてよく、従って本発明には種々の変形例が存在する。
【００８７】
例えば、上記実施形態では、複数のレーザ素子１が同一波長の光ビームを放出する例について説明したが、互いに異なる波長の光ビームを放出してもよい。レーザ加工に用いられる幾つかの波長のうち、例えば波長８０８ｎｍの光ビームがアルミニウムに吸収されやすいことが知られている。従って、波長８０８ｎｍの光ビームを放出する素子と他の素子とを組み合わせることにより、アルミニウムからなる被加工材の加工性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１  レーザ素子（ＰＣＳＥＬ素子）、  ２  ベース、  ３  コリメートレンズアレイ、  ４  集光レンズ、  ５  凹レンズアレイ、  １０  レーザモジュール、  １１  レーザ素子アレイ、  １５  複合レンズ、  ２０  光ファイバ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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