(57)【要約】レーザモジュール１０は、フォトニック結晶面発光レーザ素子１と、光ビームを平行化するコリメートレンズアレイ４と、光ビームを集光する集光レンズ５と、光ビームを一端側で受け、外部へ伝送する光ファイバ６とを備える。コリメートレンズアレイ４においてコリメートレンズに対応する開口部４１は、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビームのエネルギを１００％として９４．０％以上９９．５％以下のエネルギの光ビームを透過させる。
2016189983.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フォトニック結晶面発光レーザ素子と、
コリメートレンズを構成する開口部を複数個有し、前記複数のフォトニック結晶面発光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レンズアレイと、
前記コリメートレンズアレイにより平行化された光ビームを集光する集光レンズと、
前記集光レンズ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を備え、
前記コリメートレンズアレイの開口部は、前記コリメートレンズアレイに入射する光ビームのエネルギを１００％として９４．０％以上９９．５％以下のエネルギの光ビームを透過させ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】
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フォトニック結晶面発光レーザ素子と、
コリメートレンズを構成する開口部を複数個有し、前記複数のフォトニック結晶面発光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レンズアレイと、
前記コリメートレンズアレイにより平行化された光ビームを集光する集光レンズと、
前記集光レンズ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を備え、
前記コリメートレンズアレイの開口部は、該開口部に入射する光ビームのガウシアンビーム半径の０．６倍以上０．８５倍以下の大きさの径を有することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項３】
前記コリメートレンズアレイの開口部は互いに隣接して設けられており、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子の配置間隔は、コリメートレンズアレイの開口径の２倍の大きさに等しいことを特徴とする、
請求項１または２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
下記式で表される前記フォトニック結晶面発光レーザ素子から前記集光レンズまでの光線行列において要素Ｃの値が０であり、かつ、
前記集光レンズの焦点距離と、前記集光レンズの中心から前記光ファイバの入射端まで距離とが等しいことを特徴とする、
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。
【数１】
2016189983.tif 000013
【請求項５】
前記光線行列において、さらに要素Ｂの値が０である、
請求項４に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子と前記コリメートレンズアレイとの間に配置され、前記コリメートレンズアレイと併せてビームエキスパンダを構成する１つまたは複数個のレンズアレイ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】
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、ガウシアン形状のシングルモード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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の面発光レーザ素子を備えたレーザモジュールおよびこれを用いたレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザモジュールは、複数のレーザ素子（半導体レーザ素子）と、コリメートレンズアレイ（または複数のコリメートレンズ）と、集光レンズと、光ファイバとを備えており、レーザ素子が放出する光ビームをコリメートレンズアレイにより平行化し、集光レンズにより集光し、そして光ファイバに結合している。このように、複数のレーザ素子を用いることでレーザモジュールを高出力化し、ファイバ出射後の光ビームの高輝度化を図っている。特許文献１，２に開示されたレーザモジュールでは、レーザ素子として面発光レーザ素子が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４８５８１号公報（第１２頁１〜８行、２９〜３１行、図１８）
【特許文献２】特許第２８４８２７９号（第２頁［００１０］〜［００１２］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファイバ出射後の光ビームを高輝度化するためには、レーザモジュールの高出力化に加えて、ファイバ出射後の光ビームの集光性を高めることが必要となる。【０００５】
ところで、複数の光ビームを１本の光ファイバに結合する場合、コリメートレンズアレイを通過する平行な光ビームが互いに接しない状態では、光ビームが互いに接した状態に比べて、ファイバ出射後の光ビームの集光性が低下する。従って、ファイバ出射後の光ビームの集光性を高めるには、コリメートレンズアレイを通過する光ビームを互いに接した状態とすることが好ましい。【０００６】
しかし、特許文献１，２に開示されたレーザモジュールでは、コリメートレンズアレイにおいて光ビームを透過させる開口部が互いに離れて配置されており、通過する光ビームを互いに接した状態とすることができず、従ってファイバ出射後の光ビームの集光性が低下してしまう。このように、特許文献１，２では、ファイバ出射後の光ビームについて集光性を向上させる検討が充分になされていない。【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ファイバ出射後の光ビームが従来よりも高輝度化されたレーザモジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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フォトニック結晶面発光レーザ素子と、
コリメートレンズを構成する開口部を複数個有し、複数のフォトニック結晶面発光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レンズアレイと、
コリメートレンズアレイにより平行化された光ビームを集光する集光レンズと、
集光レンズ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を備える。【０００９】
本発明の一態様で、
コリメートレンズアレイの開口部は、コリメートレンズアレイに入射する光ビームのエネルギを１００％として９４．０％以上９９．５％以下のエネルギの光ビームを透過させるように構成されている。【００１０】
本発明の一態様で、
コリメートレンズアレイの開口部は、開口部に入射する光ビームのガウシアンビーム半径の０．６倍以上０．８５倍以下の大きさの径を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ファイバ出射後の光ビームが従来よりも高輝度化されたレーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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４Ａ】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４Ｂ】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４Ｃ】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５Ａ】フォトニック結晶層内部における光の面内共振を示す図である。
【図５Ｂ】フォトニック結晶層内部における光の面直取り出しを示す図である。
【図６Ａ】ファイバ入射端での光ビームの重ね合わせを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの部分拡大図である。
【図７】レーザ素子の発光面から出射するガウシアン形状の光ビームを示す図である。
【図８Ａ】ファイバ入射端での光ビームのビームプロファイルを示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａの部分拡大図である。
【図９】本発明の実施の形態１による、ファイバ出射端での光ビームの輝度を増大させる方法を説明するためのグラフである。
【図１０Ａ】本発明の実施の形態１による光学シミュレーションを説明するための図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施の形態１による光学シミュレーションを説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２による、ファイバ出射端での光ビームの輝度を増大させる方法を説明するためのグラフである。
【図１２Ａ】本発明の実施の形態２による光学シミュレーションを説明するための図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施の形態２による光学シミュレーションを説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態４によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態５によるレーザモジュールを示す構成図である。
【図１５】本発明の実施の形態６によるレーザモジュールを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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いる。
【００１４】
実施の形態１．
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザモジュール１０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、凹レンズアレイ３、コリメートレンズアレイ４、集光レンズ５、光ファイバ６を備えており、複数のレーザ素子１から放出される光ビーム（レーザビーム）を光ファイバ６に結合するように構成されている。レーザモジュール１０は、マウント部材（図示せず）の上に実装されてもよい。以下では、レーザモジュール１０を材料加工（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）に用いる例について説明するが、その他光通信などに利用してもよい。
【００１５】
なお、図１において、レーザ素子１から出射して凹レンズアレイ３に入射するまでの光ビームに符号１１を、凹レンズアレイ３を通過してコリメートレンズアレイ４に入射するまでの光ビームに符号１２を、コリメートレンズアレイ４を通過して集光レンズ５に入射するまでの光ビームに符号１３を、集光レンズ５を通過して光ファイバ６に入射するまでの光ビームに符号１４を、光ファイバ６から出射する光ビームに符号１５を付している。ただし、これらの符号は形式的に付しているのであって、同じ符号を付した光ビームであっても、進行とともにビーム径等は変化する。
【００１６】
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１１を放出する。レーザ素子１は、光ビームが基板面に対して垂直に出射する面発光レーザ素子である。レーザ素子１は、後述するフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子であってもよい。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いる。
【００１７】
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１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。
【００１８】
凹レンズアレイ３は、レーザ素子１の直後に配置されており、各レーザ素子１から放出された光ビーム１１のビーム径を拡大する。凹レンズアレイ３は、コリメートレンズアレイ４と併せてビームエキスパンダを構成する。凹レンズアレイ３には、各レーザ素子１から放出された光ビーム１１をそれぞれ同軸上で受けるように、複数のレーザ素子１に１対１対応する複数の凹レンズが設けられている。凹レンズアレイ３において、光ビーム１１を透過させて凹レンズを構成する部分を開口部３１と称す。凹レンズアレイ３上の開口部３１以外の部分であって光ビーム１１を透過させず回折、反射（以下、回折等という）を生じさせる部分を非開口部と称す。開口部３１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六方格子状に配置されている。
【００１９】
なお、実施形態１において、レーザモジュール１０を小型化する上では、凹レンズアレイ３を設けてレーザ素子１とコリメートレンズアレイ４との間隔を小さくすることが好ましいが、これは必須の構成ではない。つまり、レーザ素子１により放出された光ビーム１１が直接にコリメートレンズアレイ４に入射する構成であってもよい。
【００２０】
一方、レーザ素子１としてＰＣＳＥＬ素子を用いる場合、以下の通り凹レンズアレイ３を用いることが有用である。フォトニック結晶面発光レーザは、発散角が小さい（ビーム品質の良い）光ビームを放出する。従って、光ビームの伝搬中に、ビーム径が広がる程度が低い。ここで、本実施形態１では、後述するようにコリメートレンズアレイ４の位置でビーム径の最適化を行う。レーザ素子１から放出される光ビームを凹レンズアレイ３で拡大することにより、レーザ素子１からコリメートレンズアレイ４までの距離を小さくした状態で、前記ビーム径の最適化を行うことができる。
【００２１】
コリメートレンズアレイ４は、凹レンズアレイ３を通過した光ビーム１２を互いに平行な（または略平行な）光ビーム１３に変換する。コリメートレンズアレイ４は、凸レンズアレイであってもよい。コリメートレンズアレイ４には、光ビーム１２をそれぞれ同軸上で受けるように、複数のレーザ素子１（および凹レンズアレイ３の開口部３１）に１対１対応する複数のコリメートレンズが設けられている。コリメートレンズアレイ４において、光ビームを透過させてコリメートレンズを構成する部分を開口部４１と称す。なお、コリメートレンズアレイ４上の開口部以外の部分であって光ビームを透過させず回折等を生じさせる部分を非開口部と称す。
【００２２】
開口部４１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、平面上で六方稠密に配置されている。つまり、開口部４１どうしは、互いに隣接して設けられている。言い換えると、開口部４１の中心間の距離は、開口部４１の半径（コリメートレンズアレイ４の開口径）の２倍の大きさに等しい。また、コリメートレンズアレイ４は、各開口部４１を通過した隣り合う平行な光ビーム１３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。
【００２３】
ここで、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（約１３．５％）となるときの強度分布の半幅と定義される。この明細書では、このように定義されるビーム径をガウシアンビーム半径と称す。ただし、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。
【００２４】
集光レンズ５は、コリメートレンズアレイ４を通過した複数の光ビーム１３を、光ファイバ６の（コアの）入射端に向けて集光する。集光レンズ５は凸レンズであってもよい。上記の通り、コリメートレンズアレイ４を通過した隣り合う光ビーム１３どうしは互いに接しているので、集光レンズ５を通過した光ビーム１４も、隣り合う光ビーム１４どうしが互いに接した状態で光ファイバ６の入射端へ入射する。これにより、ファイバ出射後の光ビーム１５の集光性が向上する。
【００２５】
光ファイバ６に入射する複数の光ビーム１４は、光ファイバ６のコアを伝搬して１本の光ビームに結合される。そして、光ファイバ６の出射端から高出力の光ビーム１５が出射する。
【００２６】
光ファイバ６を用いて光ビームを外部まで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。
【００２７】
［ＰＣＳＥＬ素子］
次に、レーザ素子１の一例である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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（または略真円）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。
【００３６】
例えば、図４Ａ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４Ｂ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４Ｃ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４Ｃ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わかる。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。
【００３７】
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。
【００３８】
図５Ａは図４Ｃ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５Ａ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５Ｂ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。
【００３９】
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。
【００４０】
［光ビームの高輝度化］
レーザモジュール１０を材料加工（特に金属切断加工）に用いる場合、被加工材に対して照射する光ビームは高輝度であることが好ましい。そこで以下では、ファイバ出射後の光ビーム１５を高輝度化する方法について説明する。
【００４１】
以下の説明では、図１に示すように、レーザ素子１の配置間隔をＰＬ、レーザ素子１の発光面の開口径（半径）をｄｐ、凹レンズアレイ３の開口径（半径）をｄｅ、コリメートレンズアレイ４の開口径（半径）をｄｃ、光ファイバ６のコア径（半径）をｄｆ、光ビーム１４の集光角をθｉとする。レーザ素子１の配置間隔ＰＬは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃの２倍（または約２倍）の大きさである。集光角θｉは、六方格子の対角線上に位置するレーザ素子１の数をＮ（図２を参照）、集光レンズ５の焦点距離をｆとして、配置間隔ＰＬを用いて下記の式（１）で表わされる。
【００４２】
【数１】
2016189983.tif 000003
【００４３】
一例では、配置間隔ＰＬは約２ｍｍ、開口径ｄｐは約０．１ｍｍ、開口径ｄｅ，ｄｃは約１ｍｍであり、レーザ素子１と凹レンズアレイ３の間隔は約１０ｍｍ、凹レンズアレイ３の（各凹レンズの）焦点距離は約１０ｍｍ、凹レンズアレイ３とコリメートレンズアレイ４の間隔は約４０ｍｍ、コリメートレンズアレイ４の（各コリメートレンズの）焦点距離は約５０ｍｍ、コリメートレンズアレイ４と集光レンズ５の中心の間隔は約１０ｍｍ、集光レンズ５の焦点距離ｆは約４０ｍｍ、集光レンズ５の中心から光ファイバ６の入射端までの距離は約４０ｍｍである。ただし、コリメートレンズアレイ４と集光レンズ５の間隔は短い方がよく、約０ｍｍでもよい。
【００４４】
ファイバ出射端での光ビーム１５の輝度Ｂｏは、損失を無視すれば、１つのレーザ素子１から出射する光ビーム１１の平均出力をＰ０、レーザ素子１の数をＭ、ファイバ出射端での光ビーム１５の発散角をθｏ、ビーム径をｗｏとして、下記の式（２）で表される。
【００４５】
【数２】
2016189983.tif 000004
【００４６】
ファイバ出射端での輝度Ｂｏを増大させるためには、発散角θｏとビーム径ｗｏを小さくして、光ビームの集光性を高めればよい。
【００４７】
なお、全レーザ素子１の数Ｍは、対角線上のレーザ素子１の数Ｎを用いて下記の式（３）で表される。
【００４８】
【数３】
2016189983.tif 000005
【００４９】
ここで、光ファイバ６に屈曲部等が存在すると、ファイバ内を伝送する光ビームはファイバ内でモード結合を起こし、ファイバ入射時に低次のモードで入射しても高次のモードを含んだ形となってファイバ端から出射する。つまり、光ビームは、光ファイバ６で許容される最大発散角（ＮＡ）で出射することとなる。レーザモジュール１０を材料加工に用いる場合、光ファイバ６の長さは数ｍ〜十数ｍ程度であり、光通信等に用いられる場合に比べて短くされる一方、光ファイバ６は屈曲部を含む形で用いられるのが一般的である。従って、発散角θｏは開口数ＮＡに対応する角度ｓｉｎ−１ＮＡに等しく（または略等しく）、ビーム径ｗｏは光ファイバ６のコア径ｄｆに等しく（または略等しく）なると考えられる。ファイバ出射端での輝度Ｂｏを増大させるためには、光ファイバ６のコア径ｄｆと開口数ＮＡを小さくすればよい。
【００５０】
光ファイバ６のコア径ｄｆと開口数ＮＡを小さくするためには、光ビーム１４の集光角θｉとファイバ入射端でのビーム径ｗｆを小さくする必要がある。
【００５１】
図６は、ファイバ入射端での光ビーム１４の重ね合わせを示す図である。図６Ｂは、図６Ａにおいて破線で囲んだ部分の拡大図である。図中、各レーザ素子１に対応する光ビームのビーム径を画定する線のうち、光軸を挟んで上側の線を実線で、下側の線を破線で示す。
図６に示すように、各レーザ素子１に対応する光ビーム１４は、ファイバ入射端の同じ位置で重ね合わされ、重ね合わされた後の光ビームのビーム径は、各光ビーム１４のビーム径ｗｆに等しくなる。図中、２ｗｆは光ビームのファイバ入射端でのビーム直径を示す。
【００５２】
ここで、ファイバ入射端でのビーム径ｗｆは、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のビーム径をｗｃ、波長をλとして、下記の式（４）で表される。
【００５３】
【数４】
2016189983.tif 000006
【００５４】
式（４）は、下記の式（５）で表される範囲で単調減少となる。
【００５５】
【数５】
2016189983.tif 000007
【００５６】
例えばλ＝０．９４μｍ、ｆ＝４０ｍｍとすれば、式（５）よりｗｃ≧０．１１ｍｍの範囲で式（４）は単調減少となる。つまり、この範囲でコリメートレンズアレイ４の位置でのビーム径ｗｃを大きくした方が、ファイバ入射端でのビーム径ｗｆは小さくなる。
【００５７】
光ファイバ６の最大受光角θｍａｘ（＝ｓｉｎ−１ＮＡ）は式（１）で表される集光角θｉ以上の大きさである必要があり、コア径ｄｆは式（４）で表されるファイバ入射端でのビーム径ｗｆ以上の大きさである必要がある。ただし、θｉとｗｆを大きくしすぎると、上記の通り光ファイバ６内でモード結合が生じ、ファイバ出射端での輝度Ｂｏが小さくなると考えられる。輝度Ｂｏが最も大きくなるのは、光ファイバ６の最大受光角θｍａｘが集光角θｉに一致し、コア径ｄｆがビーム径ｗｆに一致するときである。
【００５８】
このとき、ファイバ出射端での光ビーム１５について、ビーム品質の指標となるビームパラメータプロダクトＢＰＰ（ビーム径と発散角との積）を計算する。式（１）と式（４）から、ＢＰＰは下記の式（６）で表される。
【００５９】
【数６】
2016189983.tif 000008
【００６０】
次に、ファイバ入射端での光ビーム１４の輝度Ｂｉを計算する。輝度Ｂｉは下記の式（７）で表される。
【００６１】
【数７】
2016189983.tif 000009
【００６２】
式（７）で、Ｎが１に対して充分に大きいとき、ファイバ入射端での輝度ＢｉはＮに依らず、ほぼ下記の式（８）で表される。
【００６３】
【数８】
2016189983.tif 000010
【００６４】
上記の通り、ファイバ出射端での輝度Ｂｏが最も大きくなるのは、光ファイバ６の最大受光角θｍａｘが集光角θｉに一致し、コア径ｄｆがビーム径ｗｆに一致するときである。このとき、光ファイバ６内での損失を無視すれば、ファイバ出射端での輝度Ｂｏはファイバ入射端での輝度Ｂｉに一致する。つまり、ファイバ入射端での輝度Ｂｉを増大させることにより、ファイバ出射端での輝度Ｂｏを増大させることができる。
【００６５】
式（８）で表されるファイバ入射端での輝度Ｂｉは、式（５）で表される範囲で単調増加する。ただし、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃの大きさは決まっているので、ビーム径ｗｃを大きくしすぎると、コリメートレンズアレイ４の非開口部に入射して開口部４１を通過しない光ビーム１３の割合が増加し、結果的に輝度Ｂｉは低下する。輝度Ｂｉの低下を防止するために開口径ｄｃを大きくすることも考えられるが、このときレーザ素子１の配置間隔ＰＬも大きくなって輝度Ｂｉが低下することが式（８）からわかる。
【００６６】
つまり、ビーム径ｗｃの大きさは開口径ｄｃにより制限されるため、単純に大きくすることはできない。ビーム径ｗｃの最適な大きさを求めるためには、コリメートレンズアレイ４の非開口部により生じる回折等の影響を考慮する必要がある。
【００６７】
実施形態１では、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のエネルギに対する、開口部４１を通過する光ビームの有するエネルギの割合（以下、エネルギ透過率と称す）を光学シミュレーションにより最適化することにより、ファイバ入射端での輝度Ｂｉを増大させ、従ってファイバ出射端での輝度Ｂｏを増大させることを意図している。エネルギ透過率の最適化は、配置間隔ＰＬ、開口径ｄｐ、開口径ｄｅ、開口径ｄｃ、レーザ素子１と凹レンズアレイ３の間隔、凹レンズアレイ３の焦点距離、凹レンズアレイ３とコリメートレンズアレイ４の間隔、コリメートレンズアレイ４の焦点距離、などのパラメータを調整することにより行うことができる。
【００６８】
図７は、レーザ素子１の発光面（開口径ｄｐ）から出射するガウシアン形状の光ビームを示す図である。図中の符号１１は、レーザ素子１から出射した光ビームのビームプロファイルを示しており、矢印は光ビームの１１の出射方向を示す。
【００６９】
レーザ素子１は面発光レーザ素子であるので、集光性が高くかつ高品質の、ほぼガウシアン形状のシングルモードの光ビーム１１を発生させることができる。特に、レーザ素子１としてＰＣＳＥＬ素子を用いた場合、光ビーム１１の発散角をより小さくすることができ、凹レンズアレイ３の位置でのビーム径を、開口径ｄｅよりも充分に小さくすることができる。それゆえ、凹レンズアレイ３の非開口部での回折等の影響をほぼ無視できる。これにより、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のビームプロファイルがガウシアン形状（または略ガウシアン形状）となる。
【００７０】
図８は、ファイバ入射端での光ビーム１４のビームプロファイルを示す図である。図８Ｂは、図８Ａにおいて破線で囲んだ部分の拡大図である。図８において、ビーム径ｗｃが１．６ｍｍのときのビームプロファイルを実線で、０．８ｍｍのときのビームプロファイルを点線で示す。なお、図８を得るために、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃを１ｍｍとしてシミュレーションを行った。
【００７１】
図８に示すように、ビーム径ｗｃが大きいとき（ｗｃ＝１．６ｍｍ：実線）は、ビーム径ｗｃが小さいとき（ｗｃ＝０．８ｍｍ：点線）と比較して、コリメートレンズアレイ４の非開口部により光ビームが回折等されて全体的に強度が低下する。また、ビーム径ｗｃが大きいときには、図８Ｂに矢印８００で示すようにビームプロファイルにサイドローブが発生し、理想的なガウシアン形状から離れてしまう。
【００７２】
図９は、本発明の実施の形態１による、ファイバ出射端での光ビーム１５の輝度Ｂｏを増大させる方法を説明するためのグラフである。
グラフの横軸は、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のエネルギに対する、開口部４１を通過する光ビーム１３の有するエネルギの割合（エネルギ透過率）を示す。エネルギ透過率が増大することは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃに対してビーム径ｗｃが減少することに対応する。グラフの縦軸は、ファイバ入射端での光ビーム１４の輝度Ｂｉを示す。図９に示すグラフを得るために、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のビームプロファイルがガウシアン形状であるとしてシミュレーションを行った。ただし、当該ビームプロファイルがガウシアン形状から若干ずれたとしても、同様のシミュレーション結果を得ることができる。
【００７３】
ここで、一般に、複素振幅分布ｕ１（ｘ１）の光ビームが光線行列ＡＢＣＤで示される光学系を通過した後の複素振幅分布ｕ２（ｘ２）は、光ビームの波長をλ０、計算領域をａ、光路長をＬ０として下記の式（９）で表わされる。
【００７４】
【数９】
2016189983.tif 000011
…（９）
【００７５】
図９のシミュレーションは、式（９）を二次元化した式を用いて行ったものである。コリメートレンズアレイ４上の非開口部による回折等の影響を考慮するために、複素振幅分布ｕ１（ｘ１）を複素ガウス分布として、その端部をカットすることにより計算を行った。
【００７６】
次に、図１０Ａ、図１０Ｂを用いて、前記シミュレーションの結果をさらに説明する。図１０Ａ、図１０Ｂは、コリメートレンズアレイ４内の１つの開口部４１に入射する光ビームのビームプロファイルと、開口部４１から出射する光ビームのビームプロファイルとを示す。
【００７７】
図１０Ａでは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃよりも大きいビーム径ｗｃを有する光ビームがコリメートレンズアレイ４に入射する。コリメートレンズアレイ４から出射する光ビームのビームプロファイルは、端部が切り取られ、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビームのビームプロファイル（ほぼガウシアンプロファイル）から異なることになる。図１０Ａの状況は、図９のグラフの横軸の値が９４．０％より小さい領域に相当する。このとき、回折広がりによりビームプロファイルにサイドローブが発生して、ファイバ入射端での光ビームのビーム径が大きくなる（例えば、図８Ｂの矢印８００を参照）。
【００７８】
つまり、図９には、エネルギ透過率（グラフの横軸）が９４．０％より小さい場合、ビームプロファイルの端部が切り取られることによるエネルギの低下と回折によるビーム径の広がりとに起因して、ファイバ入射端での光ビームの輝度Ｂｉが低下することが示されているといえる。
【００７９】
一方、図１０Ｂでは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃよりも小さいビーム径ｗｃを有する光ビームがコリメートレンズアレイ４に入射する。コリメートレンズアレイ４から出射する光ビームのビームプロファイルは、端部がほぼ切り取られず、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビームのビームプロファイルとほぼ同じ形状となる。図１０Ｂの状況は、図９のグラフの横軸の値が９９．５％より大きい領域に相当する。このとき、後段の集光レンズ５にビーム径の小さい光ビームが入射することになり、結果として、ファイバ入射端でのビーム径（集光スポット径）が大きくなる。
【００８０】
つまり、図９には、エネルギ透過率（グラフの横軸）が９９．５％より大きい場合、光ビームのエネルギの低下は抑制できるものの、ファイバ入射端でビーム径を充分に小さくすることができず、これによりファイバ入射端での光ビーム１４の輝度Ｂｉが低下することが示されているといえる。
【００８１】
以上より、エネルギ透過率が９４．０％以上９９．５％以下のときに、大きい輝度Ｂｉが得られることがわかる。図９から、エネルギ透過率が９４．０％以上９９．５％以下のときには、エネルギ透過率が約９７％のときに達成される最大輝度Ｂｉの約０．８倍以上の輝度が達成されることがわかる。
【００８２】
なお、製造後のレーザモジュール１０についてエネルギ透過率が９４．０％以上９９．５％以下であるか否かは、コリメートレンズアレイ４の直前の位置で測定したエネルギの大きさを１００％として、コリメートレンズアレイ４の直後の位置で測定したエネルギの大きさを測定することにより判定できる。なお、光ビームのエネルギの大きさは、例えば光電変換を利用するレーザパワーメータを用いて測定可能である。
【００８３】
上記の通り、図９の横軸に示される割合（エネルギ透過率）が大きくなることは、コリメートレンズアレイ４の位置でのビーム径ｗｃが小さくなることに相当する。エネルギ透過率が９９．５％を超えることは、ビーム径ｗｃが、式（５）で表される（ファイバ入射端での）輝度Ｂｉの単調増加範囲に入り、すなわち式（８）で表される輝度Ｂｉがこの範囲で小さくなることを意味する。
【００８４】
一方、図９の横軸に示される割合（エネルギ透過率）が小さくなることは、コリメートレンズアレイ４の位置でのビーム径ｗｃが大きくなることに相当する。エネルギ透過率が例えば９４％を下回ることは、コリメートレンズアレイ４上の非開口部による回折等の影響によりファイバ入射端でのビーム径ｗｆが大きくなって、式（８）で表される輝度Ｂｉが小さくなることを意味する。
【００８５】
輝度Ｂｉ，Ｂｏを増大させる観点から、エネルギ透過率は大きいほど好ましい。しかし、コリメートレンズアレイ４上の非開口部で発生する回折等により損失が生じるため、実際にはエネルギ透過率を１００％とすることはできない。実施形態１では、開口部４１を通過した光ビーム１３のエネルギを１００％として、その約９８％が光ファイバ６に入射するようにしている。コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のエネルギを１００％として９４．０％のエネルギの光ビームが開口部４１を通過したときであれば、当該光ビーム１２の約９２％以上のエネルギを光ファイバ６に入射させて利用できる。
【００８６】
以上、実施形態１によれば、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のエネルギを１００％として９４．０％以上９９．５％以下のエネルギの光ビームが開口部４１を通過するので、ファイバ出射端での光ビーム１５の輝度Ｂｏを増大させることができ、ひいては材料加工に適したレーザモジュール１０を得ることができる。
【００８７】
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２による、ファイバ出射端での光ビーム１５の輝度Ｂｏを増大させる方法を説明するためのグラフである。グラフの横軸は、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃに対するコリメートレンズアレイ４の位置でのビーム径（ガウシアンビーム半径）ｗｃの比ｗｃ／ｄｃを示す。グラフの縦軸は、ファイバ入射端での光ビーム１４の輝度Ｂｉを示す。
【００８８】
実施形態１では、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビーム１２のエネルギに対する、開口部４１を通過する光ビームの有するエネルギの割合（エネルギ透過率）を、光学シミュレーションにより最適化した。実施形態２では、同じ光学シミュレーションを実施して上記比ｗｃ／ｄｃを最適化することにより、ファイバ入射端での輝度Ｂｉを増大させ、従ってファイバ出射端での輝度Ｂｏを増大させることを意図している。なお、実施形態２は、最適化する対象のみが実施形態１と異なるのであって、基本構成は実施形態１と同様である。
【００８９】
図１２Ａ、図１２Ｂを用いて、実施形態２によるシミュレーションの結果を説明する。図１２Ａ、図１２Ｂは、それぞれ図１０Ａ、図１０Ｂに対応し、コリメートレンズアレイ４内の１つの開口部４１に入射する光ビーム１２のビームプロファイルと、開口部４１から出射する光ビーム１３のビームプロファイルとを示す。
【００９０】
図１２Ａでは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃと同じ大きさのビーム径（ガウシアンビーム半径）を有する光ビームがコリメートレンズアレイ４に入射する。コリメートレンズアレイ４から出射する光ビームのビームプロファイルは、端部が切り取られ、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビームのビームプロファイル（ほぼガウシアンプロファイル）から異なることになる。図１２Ａの状況は、図１１のグラフの横軸の値が１．０であることに相当する。このとき、ファイバ入射端での光ビームのビーム径は、回折広がりによりビームプロファイルにサイドローブが発生して、大きくなる（例えば、図８Ｂの矢印８００を参照）。
【００９１】
つまり、図１１には、比ｗｃ／ｄｃ（グラフの横軸）が大きいと（１．０に近いと）ビームプロファイルの端部が切り取られることによるエネルギの低下と回折によるビーム径の広がりとに起因して、ファイバ入射端での光ビーム１４の輝度Ｂｉが低下することが示されているといえる。
【００９２】
一方、図１２Ｂでは、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃよりも小さいビーム径ｗｃを有する光ビームがコリメートレンズアレイ４に入射する。コリメートレンズアレイ４から出射する光ビームのビームプロファイルは、端部がほぼ切り取られず、コリメートレンズアレイ４に入射する光ビームのビームプロファイルとほぼ同じ形状となる。図１２Ｂの状況では、後段の集光レンズ５にビーム径の小さい光ビームが入射することになり、結果として、ファイバ入射端でのビーム径（集光スポット径）が大きくなる。
【００９３】
実施形態１では、図１０Ａ、図１０Ｂを用いて、大きい輝度Ｂｉが得られる条件（エネルギ透過率が９４．０％以上９９．５％以下）を考察した。図９から、当該条件下では、最大輝度Ｂｉの約０．８倍以上の輝度が達成されることがわかった。同様に、図１１から、最大輝度Ｂｉの約０．８倍以上の輝度が達成される比ｗｃ／ｄｃの範囲（０．６０以上０．８５以下）を、本実施形態２で大きい輝度Ｂｉが得られる条件として採用できる。
【００９４】
なお、製造後のレーザモジュール１０について比ｗｃ／ｄｃが０．６０以上０．８５以下であるか否かは、例えばＣＣＤカメラ型のレーザビームプロファイラを用いてコリメートレンズアレイ４の直前の位置でビーム径の大きさを測定することにより判定できる。
【００９５】
以上、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、ファイバ出射端での光ビーム１５の輝度Ｂｏを増大させることができ、ひいては材料加工に適したレーザモジュール１０を得ることができる。
【００９６】
実施の形態３．
実施形態３では、下記式（１０）で表されるレーザ素子１から集光レンズ５までの光線行列において、要素Ｃの値が０となるように、各種パラメータ（レーザ素子１の配置間隔ＰＬ、レーザ素子１の発光面の開口径ｄｐ、凹レンズアレイ３の開口径ｄｅ、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃ、レーザ素子１と凹レンズアレイ３の間隔、凹レンズアレイ３の焦点距離、凹レンズアレイ３とコリメートレンズアレイ４の間隔、コリメートレンズアレイ４の焦点距離等）が調節される。
【００９７】
【数１０】
2016189983.tif 000012
【００９８】
ここで、（面発光）レーザ素子１から出射する光ビームは、ほぼ平面波であって基板面に対して垂直に出射する。従って、式（１０）で表される光線行列の要素Ｃの値が０であることにより、光ビームはその傾きを変えないで進行することになる。これにより、例えばレーザ素子１の位置、レンズアレイ３，４の位置および開口径ｄｅ，ｄｃに多少のずれ（公差）が生じたとしても、すべてのレーザ素子１から出射した光ビームを集光レンズ５に対して垂直に入射させることができる。
【００９９】
また、実施形態３では、集光レンズ５の焦点距離ｆと集光レンズ５から光ファイバ６の入射端までの距離とを等しくする。これにより、各レーザ素子１から出射した光ビームは、光ファイバ６の入射端の同じ（またはほぼ同じ）位置に集光される。これにより、例えばレーザ素子１の位置、レンズアレイ３，４の位置および開口径ｄｅ，ｄｃに多少のずれ（公差）が生じたとしても、すべてのレーザ素子１から出射した光ビームを集光レンズ５の同じ（またはほぼ同じ）位置に入射させることができ、各光学素子１，３〜５のアライメントが容易になる。
【０１００】
特に、レーザ素子１としてＰＣＳＥＬ素子を用いた場合、高品質な平面波の光ビームが出射し、さらに発光面の開口径ｄｐを大きくすることができるため、集光レンズ５から焦点距離ｆに等しい距離を隔てた位置が集光スポット位置となり、光ファイバ６のコア径ｄｆを小さくすることができる。
【０１０１】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４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１〜３のいずれか、またはこれらの実施形態で説明した特徴の任意の組み合わせを有するレーザモジュール１０と、光ファイバ６から出射した光ビーム１５を被加工材Ｗに向けて照射するための加工ヘッド５０とを備える。
【０１０２】
加工ヘッド５０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２つの加工レンズ５１，５２が内部に設けられている。加工ヘッド５０の先端は、加工レンズ５２により集光された光ビームを通過させるとともに被加工材Ｗに向けてアシストガスを供給するように、ノズル状に形成されている。
【０１０３】
以上、実施形態４によれば、ファイバ出射後の光ビーム１５が従来よりも高輝度化されたレーザモジュール１０を利用することにより、加工精度の高いレーザ加工装置１０００を得ることができる。
【０１０４】
実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５によるレーザモジュールを示す構成図である。
実施形態１〜３では、凹レンズアレイ３とコリメートレンズアレイ４とでビームエキスパンダを構成した。本実施形態５では、図１４に示すように、凹レンズアレイ３の代わりに凸レンズアレイ２３が設けられ、この凸レンズアレイ２３とコリメートレンズアレイ２４とによりビームエキスパンダが構成される。凸レンズアレイ２３とコリメートレンズアレイ２４は、両レンズアレイ２３，２４の間に集光点が形成されるように配置される。
【０１０５】
凸レンズアレイ２３は、図１に示される凹レンズアレイ３の開口部３１に対応する開口部２３１を有する。コリメートレンズアレイ２４は、図１に示されるコリメートレンズアレイ４の開口部４１に対応する開口部２４１を有する。
【０１０６】
なお、本実施形態５で、ビームエキスパンダ以外の構成は実施形態１〜３と同一である。それらの構成について、本実施形態５の説明と図１４では、実施形態１〜３で用いた符号と同一の符号を用いている。
【０１０７】
本実施形態５によれば、実施形態１〜３とは異なるビームエキスパンダの構成により、実施形態１〜３で得られる効果と同様の効果が得られる。
【０１０８】
実施の形態６．
図１５は、本発明の実施の形態６によるレーザモジュールを示す構成図である。
実施形態５では、凸レンズアレイ２３とコリメートレンズアレイ２４という２組のレンズアレイによりビームエキスパンダを構成した。本実施形態６では、図１５に示すように、凸レンズアレイ３３とコリメートレンズアレイ３４との間にさらに凸レンズアレイ３５が設けられ、これら３組のレンズアレイによりビームエキスパンダが構成される。凸レンズアレイ３３，３５は、両レンズアレイ３３，３５の間に集光点が形成されるように配置される。凸レンズアレイ３５とコリメートレンズアレイ３４は、両レンズアレイ３４，３５の間に集光点が形成されるように配置される。
【０１０９】
凸レンズアレイ３３は、図１に示される凹レンズアレイ３の開口部３１に対応する開口部３３１を有する。コリメートレンズアレイ３４は、図１に示されるコリメートレンズアレイ４の開口部４１に対応する開口部３４１を有する。
【０１１０】
なお、本実施形態６で、ビームエキスパンダ以外の構成は実施形態１〜３、５と同一である。それらの構成について、本実施形態６の説明と図１５では、実施形態１〜３、５で用いた符号と同一の符号を用いている。
【０１１１】
本実施形態６によれば、実施形態１〜３、５とは異なるビームエキスパンダの構成により、実施形態１〜３、５で得られる効果と同様の効果が得られる。
【０１１２】
ここで、実施形態３では、式（１０）で表されるレーザ素子１から集光レンズ５までの光線行列において、要素Ｃの値が０となるように、各種パラメータ（レーザ素子１の配置間隔ＰＬ、レーザ素子１の発光面の開口径ｄｐ、凹レンズアレイ３の開口径ｄｅ、コリメートレンズアレイ４の開口径ｄｃ、レーザ素子１と凹レンズアレイ３の間隔、凹レンズアレイ３の焦点距離、凹レンズアレイ３とコリメートレンズアレイ４の間隔、コリメートレンズアレイ４の焦点距離等）を調節した。本実施形態６では、これに代えて、またはこれに加えて、要素Ｂの値が０となるように、各種パラメータが調節されてもよい。
【０１１３】
前記要素Ｂの値が０になることにより、レーザ素子１から放出される光ビームの発散角が設計からずれた値となった場合でも、前記３組のアレイレンズの間隔だけを調整することにより、集光レンズ５の位置で所望のビーム径と所望のビーム発散角を容易に得ることができる。
【０１１４】
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は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、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。
【符号の説明】
【０１１５】
１  レーザ素子、  ２  ベース、  ３  凹レンズアレイ、  ４  コリメートレンズアレイ、  ５  集光レンズ、  ６  光ファイバ、  １０  レーザモジュール、  ５０  加工ヘッド、  １０００  レーザ加工装置、  ＰＬ  レーザ素子の配置間隔、  ｄｐ  レーザ素子の発光面の開口径、  ｄｅ  凹レンズアレイの開口径、  ｄｃ  コリメートレンズアレイの開口径、  θｉ  光ビームの集光角、  ｄｆ  光ファイバのコア径
【図１】
2016189983.tif 000014
【図２】
2016189983.tif 000015
【図３】
2016189983.tif 000016
【図４Ａ】
2016189983.tif 000017
【図４Ｂ】
2016189983.tif 000018
【図４Ｃ】
2016189983.tif 000019
【図５Ａ】
2016189983.tif 000020
【図５Ｂ】
2016189983.tif 000021
【図６Ａ】
2016189983.tif 000022
【図６Ｂ】
2016189983.tif 000023
【図７】
2016189983.tif 000024
【図８Ａ】
2016189983.tif 000025
【図８Ｂ】
2016189983.tif 000026
【図９】
2016189983.tif 000027
【図１０Ａ】
2016189983.tif 000028
【図１０Ｂ】
2016189983.tif 000029
【図１１】
2016189983.tif 000030
【図１２Ａ】
2016189983.tif 000031
【図１２Ｂ】
2016189983.tif 000032
【図１３】
2016189983.tif 000033
【図１４】
2016189983.tif 000034
【図１５】
2016189983.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月12日(2016.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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フォトニック結晶面発光レーザ素子と、
前記複数のフォトニック結晶面発光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と、
コリメートレンズを構成する開口部を複数個有し、前記凹レンズアレイによりビーム径が拡大された光ビームを平行化するコリメートレンズアレイと、
前記コリメートレンズアレイにより平行化された光ビームを集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光ビームが入射端に入射し出射端から出射する光ファイバとを備え、
前記コリメートレンズアレイの開口部は、前記コリメートレンズアレイに入射する光ビームのエネルギを１００％として９４．０％以上９９．５％以下のエネルギの光ビームを透過させ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】
同一平面上に配置され、ビームをそれぞれ放出する複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子と、
前記複数のフォトニック結晶面発光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と、
コリメートレンズを構成する開口部を複数個有し、前記凹レンズアレイによりビーム径が拡大された光ビームを平行化するコリメートレンズアレイと、
前記コリメートレンズアレイにより平行化された光ビームを集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光ビームが入射端に入射し出射端から出射する光ファイバとを備え、
前記コリメートレンズアレイの開口部は、該開口部に入射する光ビームのガウシアンビーム半径の０．６倍以上０．８５倍以下の大きさの径を有することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項３】
前記コリメートレンズアレイの開口部は互いに隣接して設けられており、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子の配置間隔は、コリメートレンズアレイの開口径の２倍の大きさに等しいことを特徴とする、
請求項１または２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
下記式で表される前記フォトニック結晶面発光レーザ素子から前記集光レンズまでの光線行列において要素Ｃの値が０であり、かつ、
前記集光レンズの焦点距離と、前記集光レンズの中心から前記光ファイバの入射端まで距離とが等しいことを特徴とする、
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。
【数１】
2016189983.tif 000036
【請求項５】
前記光線行列において、さらに要素Ｂの値が０である、
請求項４に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記凹レンズアレイは、前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子の直後に配置されている、
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】
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、ガウシアン形状のシングルモード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。
【国際調査報告】
2016189983.tif 000037
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