JP2018056148A - Laser module and laser processing device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a laser module and a laser processing apparatus including the laser module.
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。 A conventional laser module includes a plurality of laser elements (semiconductor laser elements) as light sources, a number of collimating lenses (or lens arrays) corresponding to the number of laser elements, and a condensing lens. The emitted light beam is collimated by a collimator lens, condensed by a condenser lens, and coupled to an optical fiber.
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。
For example, in the laser module disclosed in Non-Patent
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。
In the laser module disclosed in
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。
Non-Patent
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。 By the way, when performing fiber coupling, if the parallel beams collected by the condensing lens are not in contact with each other, the condensing property of the light beams after fiber coupling is compared to the case in which the parallel beams are in contact with each other. Will drop. Therefore, when a plurality of light beams are combined into a single optical fiber, it is desirable to create parallel beams in contact with each other in order to obtain a combined beam with high light collecting properties.
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。
In the VCSEL element used in
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。 This problem can be solved by increasing the arrangement interval of the laser elements or by moving the collimating lens away from the laser elements. However, if the arrangement interval of the laser elements is increased, the module is increased in the direction orthogonal to the optical axis. Further, when the collimating lens is moved away from the laser element, the module becomes large not only in the optical axis direction but also in the direction orthogonal to the optical axis due to the large divergence angle of the light beam. Therefore, in order to produce parallel beams in contact with each other, it is necessary to sufficiently shorten the installation position and focal length of the collimating lens.
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。 However, if the focal length of the collimating lens is shortened, the curvature increases, so that the required accuracy of lens production increases. In addition, when a short focus lens having a focal length of about 1 mm or less is used, it is necessary to suppress aberration by using an aspheric lens. However, it is difficult to manufacture an aspheric lens with high accuracy, which is not preferable.
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。 Further, when the focal length of the collimating lens is shortened, the influence of the positional deviation of the collimating lens on the deviation of the light beam emission direction increases, and fine adjustment is necessary in the alignment of the collimating lens. Therefore, alignment is performed while observing the light beam that has passed through the collimating lens array in a state where power is supplied to the laser element to emit the light beam, and the adjustment of the optical system becomes complicated. Has occurred. At the same time, it means that problems such as a decrease in output due to the displacement of the optical elements are likely to occur after the laser module is mounted on the mount member.
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。 Further, it is known that the VCSEL element has a deteriorated light collecting property when the light emitting area is increased. If the output is increased while the light emitting area is small, the energy density on the light emitting surface increases, leading to the destruction of the laser element. Therefore, a VCSEL element having a small light emission area is not suitable as a high-power and high-condensation laser light source.
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。 The above problem also occurs when an edge emitting semiconductor laser (EEL) is used as the laser element.
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。 As described above, in the prior art, it is difficult to achieve high output while maintaining high light condensing performance in terms of light source restrictions and optical system adjustment, and semiconductor laser arrays are used for applications that require high output such as sheet metal cutting. It was difficult.
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。 An object of the present invention is to realize a small, high-output and high-concentration laser module.
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。 A laser module according to the present invention includes a plurality of laser elements that are arranged on the same plane and emit light beams, a collimating optical system that collimates the light beams emitted from the plurality of laser elements, and a collimating optical system. A condensing optical system that condenses the collimated light beam to form a combined beam. The laser element is a photonic crystal surface emitting laser (PCSEL) element. The collimating optical system is configured to emit light in a state where adjacent light beams are in contact with each other among the collimated light beams.
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。 According to the present invention, by using a photonic crystal surface emitting laser element having a large light emitting area and a small divergence angle, it is possible to realize a small, high output and high condensing laser module.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
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。
FIG. 1 is a block diagram showing a laser module according to
The
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。
The plurality of
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。
2 schematically shows the arrangement of the
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。
The
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。
Due to the configuration of the
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。
Here, that the light beams are in contact with each other means that the beam diameter of the light beams matches the effective diameter of each lens included in the
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。
The condensing
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。
The
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。
The combined beam emitted from the
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。
By transmitting the light beam to the outside using the
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。
Next, the PCSEL element will be described.
The PCSEL element is a surface emitting semiconductor laser element in which a photonic crystal structure having a period similar to the wavelength of light is provided in the vicinity of an active layer, and can emit uniform coherent light. By adjusting the semiconductor material used for manufacturing the PCSEL element and the period of the photonic crystal structure, the wavelength of the light beam emitted from the PCSEL element can be controlled.
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。 Specifically, in the conventional laser diode, the transverse mode of the emitted beam changes according to the area of the light emitting surface, and the light beam condensing performance decreases as the light emitting surface is increased for higher output. was there. On the other hand, it is known that the PCSEL element can increase the output while maintaining a high light collecting property even if the light emitting surface is enlarged. As for the longitudinal mode, a conventional laser diode emits a light beam having a wavelength in a certain region corresponding to the gain width of the active layer, whereas a PCSEL element has a single mode defined by the lattice constant of the photonic crystal. Only a light beam of one wavelength is emitted.
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。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an exemplary structure of a PCSEL element. In FIG. 3, the light beam emission direction is defined as the z direction, the + z side is the front side, and the −z side is the back side.
As a material of the
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。
The
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。
In the configuration of the PCSEL element, the order of the
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。
When a bias voltage is applied between the
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。
The oscillation wavelength of the laser is determined by the material and period of the photonic crystal. In the PCSEL element, the refractive index of GaAs used for the
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。
Next, an exemplary method for manufacturing a PCSEL element (including steps S1 to S4) will be briefly described.
(S1) On the back surface of the
(S2) The
(S3) On the back surface of the
(S4) The
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。
Next, the principle by which the PCSEL operates as a surface emitting laser light source will be described with reference to FIGS. 4 and 5 showing the behavior of light inside the photonic crystal.
FIG. 4 is a top view of the
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。
For example, consider a case where light 201 having a wavelength indicated by an arrow in FIG. When the lattice constant of the photonic crystal is λ, the light 201 is diffracted in the direction of 90 ° or 180 ° as shown in FIG. 4B, and diffracted light 2021 and 2022 are generated, respectively. The diffracted
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。 By the way, although the diffraction in the plane where the photonic crystal is formed is considered in FIG. 4, of course, constructive interference also occurs in the direction perpendicular to the photonic crystal plane. As a result, the light confined within the plane and resonated is extracted as a laser beam in the direction perpendicular to the plane.
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。
FIG. 5A is a diagram corresponding to FIG. 4C and shows in-plane resonance of light.
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。
Note that in the PCSEL element, the light beam is emitted in the two-sided direct direction (two directions). In the case where the light beam only needs to be emitted from one direction, the light reflection by the
次に、本実施形態1の利点について説明する。 Next, advantages of the first embodiment will be described.
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。 First, in a VCSEL element using a conventional laser module, the light emission area is as small as about several μm square. Accordingly, adjacent light beams of the light beams emitted from the VCSEL element overlap each other at a position of several mm or less after the emission. Therefore, in order to produce parallel beams in contact with each other, it is necessary to shorten the installation position and focal length of the collimating lens from several hundred μm to several mm.
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。
For example, in the VCSEL array described in
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。
On the other hand, the light beam emitted from the PCSEL element has a light emitting area of several hundred μm square or more and a divergence angle as small as about 1 degree. Therefore, the distance between the
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。
For example, as in the configuration of
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。
As described above, according to the first embodiment, since the focal length of the
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。 Here, when combining light beams, the beam width of each light beam is expanded to the same extent as the width of each collimating lens, and parallelization is performed. Manufacturing accuracy is also important. In a collimating lens array with a short focal length, the curvature of each lens becomes large. Therefore, when manufacturing a lens array in which lenses are arranged closely, there is a problem that the manufacturing accuracy of the indented portion of the lens array decreases. .
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。 FIG. 15 shows two types of plano-convex lens arrays as an example. In the long focal length lens array shown in (b), the angle of the concave portion Vb at the lens boundary is large and shallow, whereas in the short focal length lens array shown in (a), 2 ° The angle of the indentation portion Va at the boundary between the two curved surfaces is small and a deep indentation. Therefore, the manufacturing accuracy is reduced in a lens array having a short focal length.
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。
Furthermore, as described above, in the PCSEL element, even when the light emitting area is increased, a high output and high condensing laser can be achieved while maintaining high light condensing property, which is difficult to realize with the conventional technology.
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。
FIG. 6 is a block diagram showing a laser module according to
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。
When mounting a plurality of
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。
Therefore, in the second embodiment, a plurality of laser elements (discrete elements) 1 shown in FIG. 1 are integrated as a
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。
According to the second embodiment, since the arrangement of the plurality of
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。
FIG. 7 is a block diagram showing a laser module according to
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。
Unlike the conventional semiconductor laser, the PCSEL element can increase the output while maintaining a high light collecting property in principle. In the PCSEL element, in principle, the output and the light emission area are substantially proportional, and attempts have been made to increase the output by increasing the light emission area. For example,
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。 However, when this laser element is actually modularized, an arrangement interval of about 2 mm may be required for power supply, cooling, and the like. In this arrangement, in order to bring adjacent light beams into contact with each other with a collimating lens, the distance between the laser element and the collimating lens and the focal length of the collimating lens need to be about 110 mm.
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。 Increasing the focal length of the collimating lens facilitates alignment of the optical system, but the optical path length needs to be extended when the output of the laser module is changed, so that there remains a problem in scalability. Moreover, there is a possibility that the whole module becomes large.
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。
Therefore, in the third embodiment, in the
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。
According to the third embodiment, by increasing the beam diameter of the light beam using the
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。
For example, the
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。
The focal length of the lens exemplified in the third embodiment is several mm or more, which is sufficiently larger than the focal length of 0.776 mm of the collimating lens described in
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。
In the third embodiment, the
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)。
FIG. 8 is a view showing a compound lens of a laser module according to a modification of the third embodiment of the present invention.
In this modification, the
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。
A laser module according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 14 described later. Configurations not shown in FIG. 9 in the fourth embodiment are the same as those in the first embodiment.
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。
In the fourth embodiment, the
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。
Here, M 2 is known as a quantity representing the beam quality. It is possible to calculate M 2 = πd 0 θ / λ, where λ is the wavelength of the light beam, d 0 is the radius of the light beam at the beam waist, and θ is the half angle of the light beam in the far field. When comparing light beams having the same beam diameter, the smaller the M 2 value, the smaller the beam divergence. In the plurality of
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。
In Figure 9, the
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。
Even when the
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。
According to the fourth embodiment, by selectively turning on the
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。
A laser module according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the fifth embodiment, configurations not shown in FIGS. 11 and 12 are the same as those in the first embodiment.
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。
In general, in the interaction between light and a substance, characteristics such as absorptance change depending on the polarization state of light. Therefore, in the fifth embodiment, the polarization control of the combined beam is performed by configuring each
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。
When each
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。
When the
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。
The
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。
Also, a set of laser elements that produce azimuth polarization and a set of laser elements that produce radial polarization are mounted on the
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。 In the fifth embodiment, the example in which the combined beam is an axially symmetric polarized beam (azimuth polarized light, radial polarized light) has been described. However, other polarization states (for example, straight lines and circles) may be used depending on the application.
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。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 13 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
The
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。
The
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。
Next, the arrangement of the
For example, in a sheet metal cutting laser, a carbon dioxide gas laser or a fiber laser having an output of about 1 kW to about 6 kW and a light collecting property of about 4 mm · mrad is often used. At this time, for example, consider using a PCSEL element that oscillates vertically and horizontally in a wavelength band of 900 nm as a light source. At this time, when the multiplexing optical system described in the first to fifth embodiments is used, as shown in FIG. 14, 11
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。
In the arrangement shown in FIG. 14, when the
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。
Further, for example, in metal welding using a laser beam, a laser having a light collecting property of about 8 mm · mrad to about 12 mm · mrad is often used. As in the case of the sheet metal cutting process, by using a laser module in which 25 to 41
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。
Although FIG. 14 shows a structure in which 91
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。 While the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. Further, another embodiment may be configured by arbitrarily combining the features of the embodiments. In addition, various modifications and improvements may be added to the above-described embodiment, and therefore there are various modifications in the present invention.
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。
For example, in the above-described embodiment, an example in which a plurality of
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
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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。 A plurality of laser elements arranged on the same plane, each emitting a light beam;
A collimating optical system for collimating light beams emitted from the plurality of laser elements;
A condensing optical system that condenses the light beam collimated by the collimating optical system and forms a combined beam;
The laser element is a photonic crystal surface emitting laser element,
The collimating optical system is configured to emit light in a state where adjacent light beams out of the collimated light beams are in contact with each other.
請求項1に記載のレーザモジュール。 The plurality of laser elements are arranged in a hexagonal lattice pattern,
The laser module according to claim 1.
請求項1または2に記載のレーザモジュール。 The plurality of laser elements are integrated on a single semiconductor substrate,
The laser module according to claim 1.
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。 It is disposed between the plurality of laser elements and the collimating optical system, and includes a concave lens array that expands a beam diameter of a light beam emitted from the plurality of laser elements.
The laser module according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載のレーザモジュール。 The concave lens array and the collimating optical system are integrated as a compound lens,
The laser module according to claim 4.
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。 Each of the plurality of laser elements is selectively turned on, and includes a control device that controls a profile of the combined beam.
The laser module according to any one of claims 1 to 5.
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。 At least some of the plurality of laser elements emit light beams having different polarization directions so that the combined beam becomes an axially symmetric polarized beam,
The laser module according to claim 1.
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。 The laser module according to any one of claims 1 to 7,
An optical fiber that receives the light beam collected by the condensing optical system on one end side and transmits the light beam to the outside;
A laser processing apparatus comprising: a processing head for irradiating a workpiece with a light beam emitted from the optical fiber.
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。 A plurality of laser elements arranged on the same plane, each emitting a light beam;
A collimating optical system for collimating light beams emitted from the plurality of laser elements;
A condensing optical system for condensing the light beam collimated by the collimating optical system;
A laser module comprising: a control device that selectively turns on each of the plurality of laser elements and controls a profile of the combined beam.
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