(57)【要約】  本開示に係るレーザモジュールは、第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、レーザダイオードの発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、第１のコリメートレンズのレーザ光を出射する側に位置し、レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、ビームツイスタのレーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備える。レーザモジュールは次の条件式（１）を満足する。  ここで、  ｘ：ビームツイスタの出射面から光学素子の入射面までの距離、  Ｗ：入射面の第１の方向の幅、  λ：レーザ光の波長、  ｆ：第１のコリメートレンズの焦点距離、  ｗ０：エミッタの出射面での第１の方向に垂直な方向におけるレーザ光のビーム径、である。    【数１】2018037663.tif 000009
2018037663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において前記複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前記発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備え、
次の条件式（１）を満足する、レーザモジュール：
【数１】
2018037663.tif 000008
ここで、
ｘ：前記ビームツイスタの出射面から前記光学素子の入射面までの距離、
Ｗ：前記入射面の第１の方向の幅、
λ：前記レーザ光の波長、
ｆ：前記第１のコリメートレンズの焦点距離、
ｗ０：前記エミッタの出射面での前記第１の方向に垂直な方向における前記レーザ光のビーム径、
である。
【請求項２】
前記複数の入射面のそれぞれは、前記複数のエミッタのそれぞれと対応する、
請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記光学素子の前記複数の入射面のそれぞれは、ミラー面である、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記光学素子は、前記複数の入射面から入射したレーザ光を出射する出射面を同一平面上に有するプリズムである、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において前記複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前記発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に配置された複数の入射面又は階段状に配置された複数の出射面を有するプリズムと、を備える、レーザモジュール。
【請求項６】
前記プリズムは、前記階段状に配置された前記複数の入射面と、前記複数の入射面から入射するレーザ光を出射する同一平面状の出射面を有する、
請求項５に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記プリズムは、同一平面状の入射面と、前記同一平面状の前記入射面から入射するレーザ光を出射する前記階段状に配置された前記複数の出射面と、を有する、
請求項５に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記プリズムは、前記第１の方向に垂直な面について面対称の形状を有する、
請求項４〜７のいずれか１項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】
本開示はレーザモジュールに関し、特に、複数のエミッタが形成されたレーザダイオードを搭載したレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ切断やレーザ溶接といったレーザ加工の分野では、レーザダイオードを用いたレーザモジュールにおいて、高出力かつ高いビーム品質のレーザ光を出力することが要求されている。【０００３】
特許文献１のレーザエミッタモジュールは、５つのエミッタを有するレーザエミッタバーと、ヒートシンクと、ヒートシンクスペーサと、ファスト軸コリメータと、プリズム部材と、ビームコンディショニング光学部材とを有する。レーザエミッタバーは、ヒートシンクの上に固定され、ヒートシンクはヒートシンクスペーサの上に固定される。また、ファスト軸コリメータおよびビームコンディショニング光学部材は、ヒートシンクスペーサの上に固定されたプリズム部材に固定される。ファスト軸コリメータは、エミッタから出力されたレーザ光をファスト軸方向においてコリメートする。また、ビームコンディショニング光学部材としては、例えば、ビームツイスタが用いられ、入射されたレーザ光を約９０度回転させて出射する。【０００４】
これにより、レーザ光の拡がり角が大きいファスト軸方向においてファスト軸コリメータによってレーザ光をファスト軸方向にコリメートし、ファスト軸とスロー軸とが入れ替わるようにレーザ光を９０度回転させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−９５９１６号公報
【発明の概要】
【０００６】
高出力かつビーム品質の改善されたレーザモジュールを提供する。
【０００７】
本開示に係るレーザモジュールは、第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、レーザダイオードの発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、第１のコリメートレンズのレーザ光を出射する側に位置し、レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、ビームツイスタのレーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備える。レーザモジュールは次の条件式（１）を満足する。
【０００８】
【数１】
2018037663.tif 000003
【０００９】
ここで、
ｘ：ビームツイスタの出射面から光学素子の入射面までの距離、
Ｗ：入射面の第１の方向の幅、
λ：レーザ光の波長、
ｆ：第１のコリメートレンズの焦点距離、
ｗ０：エミッタの出射面での第１の方向に垂直な方向におけるレーザ光のビーム径、
である。
【００１０】
以上のように、本開示のレーザモジュールによれば、高出力でビーム品質の改善されたレーザ光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の水平斜視図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の正面図である。
【図４】図４は、図３の領域Ａの拡大図である。
【図５】図５は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の側面図である。
【図６】図６は、図５の領域Ｂの拡大図である。
【図７】図７は、実施の形態１におけるファーストコリメートレンズ５０の斜視図である。
【図８】図８は、図７の８−８線における断面図である。
【図９】図９は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の部分斜視図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の正面図である。
【図１１】図１１は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の背面図である。
【図１２】図１２は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０を構成するシリンドリカルレンズ６１の斜視図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す側面図である。
【図１５】図１５は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す上面図である。
【図１６】図１６は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の段差ミラー８０を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態２におけるレーザモジュール２のプリズム９０を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態について、図１〜図１６を用いて説明する。
【００１３】
［１−１．レーザモジュール］
図１は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の概略構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の水平斜視図である。図３は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の正面図である。図４は、図３の破線で囲った領域Ａの拡大図である。図５は、実施の形態１におけるレーザモジュール１の側面図である。図６は、図５の破線で囲った領域Ｂの拡大図である。
【００１４】
図１〜図６に示すように、実施の形態１のレーザモジュール１は、レーザダイオード１０と、サブマウント２０と、下部電極ブロック３０と、上部電極ブロック４０とファーストコリメートレンズ５０と、ビームツイスタ６０と、台座７０と、段差ミラー８０とを備える。レーザダイオード１０は複数のエミッタ１１を備え、そのエミッタ１１からレーザ光を出力する。また、レーザダイオード１０はサブマウント２０に搭載され、これらが下部電極ブロック３０と上部電極ブロック４０とによって挟まれている。下部電極ブロック３０および上部電極ブロック４０は、レーザダイオード１０を電源（図示せず）と接続するための電極の機能と、レーザダイオード１０が発生した熱を放出するためのラジエータの機能とを有する。
【００１５】
また、レーザダイオード１０の発光面は、下部電極ブロック３０および上部電極ブロック４０の側面とほぼ同一面となるように配置されている（図３および図４の正面、図５および図６の右端面に相当）。レーザダイオード１０の発光面には複数のエミッタ１１が配列されており、レーザダイオード１０に電流が流れると、発光面において、それぞれのエミッタ１１からレーザ光が出力される。エミッタ１１におけるレーザダイオード１０の発光面と反対の面には、レーザ光が全反射するように端面処理が施されている。
【００１６】
図６に示すように、レーザダイオード１０の発光面に向かい合うようにファーストコリメートレンズ５０（第１のコリメートレンズ）が所定の距離（第１の距離）だけ離れて配置されている。ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０から出力されたレーザ光のファスト軸方向の拡がりをコリメートする。ファーストコリメートレンズ５０は、平面と曲面とを有しており、実施の形態１では、ファーストコリメートレンズ５０の平面をレーザダイオード１０側に、ファーストコリメートレンズ５０の曲面をレーザダイオード１０とは反対側になるように配置する。なお、ファーストコリメートレンズ５０の曲面をレーザダイオード１０側に、ファーストコリメートレンズ５０の平面をレーザダイオード１０とは反対側になるように配置しても構わない。
【００１７】
また、ファーストコリメートレンズ５０の側面の高さｄ５２（図８参照）は、ファスト軸方向に拡がるレーザ光をすべて入射するのに十分な大きさである。さらに、ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さｄ５４（図７参照）は、レーザダイオード１０からのレーザ光をすべて入射するのに十分な大きさである。
【００１８】
ファーストコリメートレンズ５０に対して、レーザダイオード１０とは反対側には、ビームツイスタ６０がファーストコリメートレンズ５０と所定の距離（第２の距離）だけ離れて配置されている。ビームツイスタ６０は、ファーストコリメートレンズ５０から出射されたレーザ光を約９０度旋回させる。なお、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０とは、それぞれの位置関係を規定するように、台座７０に固定されている。なお、ファーストコリメートレンズ５０から出射した時点ではレーザ光のスロー方向はコリメートされておらず拡がりが続いていることから、ビームツイスタ６０の位置は、ファーストコリメートレンズ５０にできるだけ近い方がよく、接触（距離が０μｍ）しても構わない。しかしながら、ビームツイスタ６０の複数のシリンドリカルレンズ６１の加工精度を考慮して、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０とを少し離すことが現実的である。
【００１９】
図１に示すように、ビームツイスタ６０の出射面と向かい合うように、段差ミラー８０（光学素子の一例）が配置される。段差ミラー８０は、エミッタ１１の数に対応した複数の反射ミラー８１によって構成される。各反射ミラー８１はそれぞれ、複数のエミッタ１１の出射するレーザ光の光軸上に配置される。また、各反射ミラー８１は、各反射ミラー８１の反射光の相互の間隔が入射光の間隔に対して狭くなるように、階段状に配置されている。
【００２０】
以上のように、レーザダイオード１０から出射されたレーザ光を初めにファーストコリメートレンズ５０によってファスト軸方向でコリメートすることで、ファスト軸方向のレーザ光の拡がりを抑えることができる。さらに、ファーストコリメートレンズ５０から出射されたレーザ光をビームツイスタ６０によって旋回させることで、スロー軸方向の拡がりに関しても、隣接するエミッタとの重なりを最小限に抑えて回避できる。また、段差ミラー８０によって、各エミッタ１１の出射するレーザ光同士のファスト軸方向の間隔を狭くできる。これにより、レーザダイオード１０における各エミッタ１１の間隔を変えることなく、レーザモジュール１から出射されるレーザ光の配列方向のピッチ（配置間隔）を最小限にすることが可能となる。さらにこれにより高いビーム品質で、高出力のレーザ光を出力することが可能となる。
【００２１】
［１−２．ファーストコリメートレンズ５０］
次に、図７および図８を用いて、ファーストコリメートレンズ５０について説明する。図７は、実施の形態１におけるファーストコリメートレンズ５０の斜視図である。図８は、図７の８−８線における断面図である。
【００２２】
図７および図８に示すように、ファーストコリメートレンズ５０は、片側に凸面を有する、柱状の光学部材である。なお、図８における上下方向（ｙ軸方向）をファーストコリメートレンズ５０の上下方向とし、図８における上下方向と紙面に垂直な方向（ｘ軸方向）を含む平面（ｘｙ平面）と実質的に平行な面をファーストコリメートレンズ５０の側面とする。また、図８における左右方向（ｚ軸方向）をファーストコリメートレンズ５０の厚さ方向とし、上面と下面の中間を中央とする。ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さとは、図８の紙面に垂直な方向の長さである。
【００２３】
レーザダイオード１０からのすべてのレーザ光を透過させるために、ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さｄ５４は、レーザダイオード１０の幅（エミッタの配列方向の長さ）よりも長い。また、ファーストコリメートレンズ５０は、図７および図８に示すように、側面に実質的に垂直な上面と下面（長さｄ５２×幅ｄ５１の大きさの平面）を有し、レーザ光の出射側に凸面を有する。凸面は、上面および下面と角度ｄ５５で接続している。ファーストコリメートレンズ５０の厚さｄ５３は、凸面の中央と側面との距離である。厚さｄ５３は幅ｄ５１より大きく、凸面はレーザ光の出射側に凸となっている。ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０のファスト軸方向にのみ曲率を持ち、側面の長さ方向には曲率を持たないシリンドリカル形状をしている。実施の形態１では、前述のように、ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０の発光面の前に配置され、レーザダイオード１０のエミッタ１１から出射されたレーザ光をファスト軸方向でコリメートする。
【００２４】
［１−３．ビームツイスタ６０］
次に、図９〜図１５を用いて、ビームツイスタ６０について説明する。図９は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の部分斜視図である。図１０は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の正面側（レーザ光の入射面側）の図である。図１１は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０の背面側（レーザ光の出射面側）の図である。図１２は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０を構成するシリンドリカルレンズ６１の斜視図である。図１３は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す斜視図である。図１４は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す側面図である。図１５は、実施の形態１におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す上面図である。
【００２５】
図９〜図１１に示すように、ビームツイスタ６０は、両面が凸レンズである複数のシリンドリカルレンズ６１を角度ｄ６１だけ傾けて重ねた光学部材である。実施の形態１では、角度ｄ６１は４５度であり、これによって、図１０および図１１に示すように、正面側から入射されたレーザ光を９０度傾けて背面側から出射する。すなわち、レーザ光のファスト軸方向とスロー軸方向を入れ替えることができる。図９の矢印はレーザ光の進行方向を示し、図１０はビームツイスタ６０を図９における左側から見た図であり、図１１は、ビームツイスタ６０を図９における右側から見た図である。
【００２６】
図１２に示すように、実施の形態１では、レーザダイオード１０の発光面に対して垂直な方向におけるシリンドリカルレンズ６１の厚さｄ６２が１．５５ｍｍで、側面の高さｄ６３が０．２１２１ｍｍである。また、シリンドリカルレンズ６１の曲面の曲率半径は０．３５２ｍｍであり、シリンドリカルレンズ６１の屈折率は１．８５２８０である。なお、シリンドリカルレンズ６１の側面とは、レーザ光の入射面及び出射面であり、側面の高さｄ６３とは、図１２における紙面の上下方向におけるシリンドリカルレンズ６１の長さである。シリンドリカルレンズ６１の曲面とは、レーザ光の入射面及び出射面である。
【００２７】
そして、図１３〜図１５に示すように、シリンドリカルレンズ６１を４５度傾けて配置したビームツイスタ６０によって、正面（ファーストコリメートレンズ５０に向かい合う面）から入射されたレーザ光は旋回するように屈折しながらビームツイスタ６０内を進み、９０度回転して背面（正面とは反対側の面）から出射される。これにより、レーザ光のファスト軸とスロー軸の位置が入れ替わる。なお、レーザ光は、ファスト軸方向はすでにコリメートされているが、スロー軸方向は拡がっている。
【００２８】
［１−４．段差ミラー］
図１６を用いて、実施の形態１にかかる、段差ミラー８０の説明をする。レーザダイオード１０の各エミッタ１１から出射されるレーザ光の相互の間隔は、段差ミラー８０により発散角を変えることなく縮小される。
【００２９】
段差ミラー８０は、レーザモジュール１を構成するエミッタ１１の数と同数の反射ミラー８１（図１６に示す例では、６つのエミッタ１１ａ〜１１ｆと、それぞれ対応する６つの反射ミラー８１ａ〜８１ｆ）で構成されている。また段差ミラー８０の反射ミラー８１は、レーザモジュール１の光軸に対して４５度の角度をなして階段状に配置されている。また各反射ミラー８１は、各反射ミラー８１の反射光の相互間隔を入射光の間隔に比べて小さくするように配置される。つまり、レーザダイオード１０からの出射光の光軸（ｚ軸）方向に各反射ミラー８１の相互間隔を詰めて配置されている。この段差ミラー８０において、各反射ミラー８１を階段状に配置しているのは、それぞれの反射ミラー８１で反射光の光束が他の反射ミラー８１に入射することを防止しつつ、反射光の間隔を狭めるためである。
【００３０】
次に段差ミラー８０によりレーザ光の間隔がレーザ光の配列方向に沿って狭まる原理について説明する。エミッタ１１から出射したレーザ光は、ファーストコリメートレンズ５０及びビームツイスタ６０を通過後、平行光になると仮定して述べる。また、便宜上、ここではエミッタ１１の数を６つとして説明するが、これに限定されるものではない。
【００３１】
図１６に示すように、ビームツイスタ６０を通過後のレーザ光のビーム幅をａ、各レーザ光の間隔をｂとすると、全体のレーザ光束の幅は６ａ＋５ｂとなる。このようなレーザ光束を仮に１枚の反射ミラー８０ｅで反射した場合、反射されたレーザ光束の幅も６ａ＋５ｂとなる。しかし実施の形態１においては、ｚ方向に各反射ミラー８１の相互間隔を詰めて階段状に配置しているため、各レーザ光の間隔ｂが削除された状態のレーザ光束となる。段差ミラー８０で反射後のレーザ光束の幅は、６ａとなる。すなわち、反射ミラー８１ａの入射面が反射ミラー８０ｅの入射面と同じ位置に配置されているとすると、反射ミラー８１ｂは反射ミラー８０ｅから間隔ｂだけビームツイスタ６０に近づいた位置に配置される。同様に、反射ミラー８１ｃ〜８１ｆは、反射ミラー８０ｅからそれぞれ間隔２ｂ、間隔３ｂ、間隔４ｂ、間隔５ｂ、ビームツイスタ６０に近づいた位置に配置される。
【００３２】
なお実際には、レーザ光は、回折の影響により完全な平行光とはならず、若干の広がりを持つ。従って、反射ミラー８１が反射するレーザ光が隣接する反射ミラー８１に干渉しないように、各反射ミラー８１の位置をｚ軸方向に調整する。具体的には、図１６の一番上に位置する反射ミラー８１ａを基準としたとき、一番上の反射ミラー８１の移動量は０、上から２つ目の反射ミラー８１ｂの移動量は各レーザ光の間隔ｂよりも十分に小さいｃ、３つ目の反射ミラー８１ｃの移動量は２ｃ、４つ目の反射ミラー８１ｄの移動量は３ｃ、５つ目の反射ミラー８１ｅの移動量は４ｃ、６つ目の反射ミラー８１ｆの移動量は５ｃとなる。従って、段差ミラー８０が反射したレーザ光束の幅は６ａ＋５ｃとなる。
【００３３】
次に、段差ミラー８０の位置（ビームツイスタ６０から反射ミラー８１までのｚ軸方向の距離）について説明する。ビームツイスタ６０の出射面から段差ミラー８０（反射ミラー８１）の入射面までの距離ｘは、次の条件式（１）を満足することが望ましい。
【００３４】
【数１】
2018037663.tif 000004
【００３５】
ここで、
ｘ：ビームツイスタ６０の出射面から段差ミラー８０（反射ミラー８１）の入射面までの距離、
Ｗ：反射ミラー８１の入射面の第１の方向の幅、
λ：レーザ光の波長、
ｆ：ファーストコリメートレンズ５０の焦点距離、
ｗ０：エミッタ１１の出射面でのファスト軸方向（ｙ軸方向）レーザ光のビーム径、
である。
【００３６】
条件式（１）を満足することで、レーザ光が回折作用によって隣接する反射ミラー８１に入射することを低減させつつ、各レーザ光の間隔を狭くすることができる。
【００３７】
条件式（１）の算出について説明する。レーザモジュール１において、反射ミラー８１の入射面のｘ軸方向（第１の方向）の幅Ｗと、反射ミラー８１の入射面に入射するレーザ光のｘ軸方向のビーム径ｗ（ｘ）との関係は、次の条件式（２）を満足することが望ましい。条件式（２）を満足すれば、レーザ光のファスト軸方向が基本モードであることから、レーザ光が回折によって隣接する反射ミラー８１に入射する量を５％未満に抑制することができる。
【００３８】
【数２】
2018037663.tif 000005
【００３９】
ここで、ビーム径ｗ（ｘ）は、ビームツイスタ６０の出射面からの距離ｘの関数であり、レーザ光のファスト軸方向が基本モードであることから、ガウスビームの基本モードの伝搬式を用いて、次の式（３）で表される。
【００４０】
【数３】
2018037663.tif 000006
【００４１】
また、ビームツイスタ６０の出射面におけるレーザ光のｘ軸方向のビーム径ｗ１は、次の式（４）で表される。
【００４２】
【数４】
2018037663.tif 000007
【００４３】
条件式（２）に式（３）および（４）を代入して、距離ｘについて整理すると、上記の条件式（１）が求められる。
【００４４】
［１−５．効果］
ここで、スロー軸方向にエミッタ１１が配列された場合のレーザ光のビーム品質について説明する。配列方向のビーム品質は、エミッタ１１の数と各エミッタ１１のビーム品質とフィリングファクタの積に比例する。フィリングファクタは、エミッタ間隔／エミッタ幅で求められる。従って、ビーム品質を改善させるためには、エミッタ間隔を狭めることが望ましい。しかしながら、エミッタ間隔を狭めるとエミッタ間の熱干渉が大きくなり、この熱干渉によりレーザ接合部の温度が上昇して、活性層からのキャリアリークや非発光再結合増加による利得減少などが発生しレーザ出力低下を招く。
【００４５】
本開示のレーザモジュール１によれば、レーザモジュール１から出射されるレーザ光のファスト軸方向をエミッタ１１の配列方向に一致させることができ、エミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることができる。また、段差ミラー８０により各レーザ光束の相互の間隔を狭めることができるので、上述した出力低下を回避しつつエミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることが可能となる。さらに、レーザダイオード１０におけるエミッタ１１の相互の間隔を広げたままレーザモジュール１から出射されるレーザ光の相互の間隔を狭めているため、エミッタ１１の間隔を狭くした場合に隣接するエミッタ１１の光がビームツイスタ６０のシリンドリカルレンズ６１に入射することを抑制できる。
【００４６】
また、各反射ミラー８１を当該各反射ミラー８１からの反射光相互の間隔を少なくするように配置しているのは、複数のレーザ光における相互の間隔を小さくして全体として幅が狭いレーザ光束を生成するためである。ファイバー結合型のレーザ加工機に用いられる場合、光ファイバーへの結合効率が向上する。
【００４７】
また、共振器を用いたレーザ発振器を用いる場合、共振器を小さくできることに加え、ビーム品質が向上されることにより、共振器内での光のロスが減少して発振効率がよくなる。
【００４８】
（実施の形態２）
以下、図１７を用いて、実施の形態２におけるレーザモジュール２の説明をする。実施の形態２においては、光学素子として段差ミラー８０の代わりにプリズム９０を用いている点において実施の形態１と異なる。なお、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する場合がある。
【００４９】
実施の形態２に係るプリズム９０は、入射面９０ａと出射面９０ｂを有しており、ビームツイスタ６０の出射側に配置されている。プリズム９０に入射する光は、複数のエミッタ１１（図１７に示す例では、６つのエミッタ１１ａ〜１１ｆ）の配列方向にシフトして出射する。プリズム９０は、各エミッタ１１に対応する複数の入射面９０ａを有している。この入射面９０ａは、ビームツイスタ６０の出射光の光軸に対して傾斜している。また、この入射面９０ａは、階段状に配置されている。他方、出射面９０ｂは、複数のエミッタ１１から出射されるレーザ光に対して同一面上に形成される。入射面９０ａと出射面９０ｂは平行であり、レーザ光がシフトする量が長い光線ほど、レーザ光がプリズム９０を通過する距離が長い。
【００５０】
実施の形態２のレーザモジュール２では、図１７に示すように、６つのエミッタ１１（１１ａ〜１１ｆ）を３つのエミッタ１１毎に２つのブロック（エミッタ１１ａ〜１１ｃとエミッタ１１ｄ〜１１ｆ）に分け、ブロック毎に入射面９０ａを階段状に形成し、ブロック毎に対応する出射面９０ｂを同一面上に形成している。そのため、プリズム９０は、ｘ軸方向に垂直な平面について面対称となる形状に構成されている。このように、プリズム９０を面対称の形状に構成することにより、プリズム９０のｚ軸方向の大きさを小さく構成できる。
【００５１】
なお、図１７に示す例では、入射面９０ａ側を階段状に形成し、出射面９０ｂ側を同一面上に形成しているが、出射面９０ｂ側を階段状に形成し、入射面９０ａ側を同一面上に形成してもよい。
【００５２】
また、２つのブロックに分けることなく、６つのエミッタ１１全部に対応して入射面９０ａを階段状に出射面９０ｂを同一面上に（または、出射面９０ｂを階段状に入射面９０ａを同一面上に）形成してもよい。この場合、プリズムは面対称の形状とはならないので、プリズム９０に比べてｚ軸方向の大きさが大きくなる。
【００５３】
入射面９０ａを通過したレーザ光は、所定のシフト量だけｘ軸方向にシフトされる。実施の形態２における所定のシフト量は、最大で、エミッタ１１ａ、１１ｆから出射されたレーザ光がそれぞれ（５／２）ｂ、エミッタ１１ｂ、１１ｅから出射されたレーザ光がそれぞれ（３／２）ｂ、エミッタ１１ｃ、１１ｄから出射されたレーザ光がそれぞれ（１／２）ｂとなる。エミッタ１１ａ〜１１ｃから出射されたレーザ光と、エミッタ１１ｄ〜１１ｆから出射されたレーザ光とのシフト方向は、逆向きになる。また、シフト量は次の式（５）、（６）で求められる。実際にはレーザ光の回折影響を考え、シフト量は上記の量より幾分小さく設定される。
【００５４】
ｘｓ＝ｌｓｉｎ（θ―α）  ・・・（５）
α＝ｓｉｎ−１（１／ｎｓｉｎ（θ））  ・・・（６）
ここで、ｘｓはシフト量、ｌはプリズムを通過する各レーザ光の光路長、ｎはプリズムの屈折率、θはプリズムに入射するレーザ光の入射角、αはプリズムに入射するレーザ光の屈折角である。上記の式を用いることで、所望のシフト量に対してプリズムの長さｌ、屈折率ｎ、入射角θを決定すればよい。
【００５５】
なお、ビームツイスタ６０からプリズム９０の入射面までのｚ軸方向の距離ｘの条件については、実施の形態１で説明したレーザモジュール１の場合の条件式（１）と同様であるので説明を省略する。
【００５６】
実施の形態２に係るプリズム９０を備えるレーザモジュール２によれば、各レーザ光束の相互の間隔をエミッタ幅の調整をせずに狭めることができるので、レーザ光の出力低下を回避しつつエミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることが可能となる。さらに、エミッタ１１の相互の間隔を広げたままレーザ光束の相互の間隔を狭めているため、エミッタ１１の間隔を狭くした場合に隣接するエミッタ１１からのレーザ光がビームツイスタ６０のシリンドリカルレンズに入射することを抑制できる。
【００５７】
また、実施の形態２に係るプリズム９０を備えるレーザモジュール２によれば、プリズム９０の出射光のベクトルをビームツイスタ６０の出射光のベクトルと同じにしつつ、各エミッタ１１の間隔を変化させることなくプリズム９０から出射する各レーザ光の相互間隔を狭めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本開示のレーザモジュールは、高い出力や高い品質が要求されるレーザ切断機やレーザ溶接機といったレーザ加工機、高輝度なプロジェクターの光源などに用いることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１，２  レーザモジュール
１０  レーザダイオード
１１  エミッタ
２０  サブマウント
３０  下部電極ブロック
４０  上部電極ブロック
５０  ファーストコリメートレンズ
６０  ビームツイスタ
６１  シリンドリカルレンズ
７０  台座
８０  段差ミラー（光学素子の一例）
８１  反射ミラー
８０ｅ  反射ミラー
９０  プリズム（光学素子の一例）
【図１】
2018037663.tif 000010
【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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【図１６】
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【図１７】
2018037663.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月7日(2018.12.7)
【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】
第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において前記複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前記発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備え、
次の条件式（１）を満足する、レーザモジュール：
【数１】
2018037663.tif 000027
ここで、
ｘ：前記ビームツイスタの出射面から前記光学素子の入射面までの距離、
Ｗ：前記入射面の第１の方向の幅、
λ：前記レーザ光の波長、
ｆ：前記第１のコリメートレンズの焦点距離、
ｗ０：前記エミッタの出射面での前記第１の方向に垂直な方向における前記レーザ光のビーム径、
である。
【請求項２】
前記複数の入射面のそれぞれは、前記複数のエミッタのそれぞれと対応する、
請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記光学素子の前記複数の入射面のそれぞれは、ミラー面である、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記光学素子は、前記複数の入射面から入射したレーザ光を出射する出射面を同一平面上に有するプリズムである、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
第１の方向に配列された複数のエミッタを有し、発光面において前記複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードの前記発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に配置された複数の入射面又は階段状に配置された複数の出射面を有するプリズムと、を備える、レーザモジュール。
【請求項６】
前記プリズムは、前記階段状に配置された前記複数の入射面と、前記複数の入射面から入射するレーザ光を出射する同一平面上の出射面を有する、
請求項５に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記プリズムは、同一平面上の入射面と、前記同一平面上の前記入射面から入射するレーザ光を出射する前記階段状に配置された前記複数の出射面と、を有する、
請求項５に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記プリズムは、前記第１の方向に垂直な面について面対称の形状を有する、
請求項４〜７のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【国際調査報告】
2018037663.tif 000028
2018037663.tif 000029
2018037663.tif 000030
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