JP2021034530A - レーザモジュール及びファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価な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１は、光ファイバ１４と、異なる高さに配置される複数の半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆと、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されるレーザ光ＬA’〜ＬF’を集光して光ファイバ１４に結合させる集光レンズ３２，３４と、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されるレーザ光ＬA〜ＬFを反射して集光レンズ３２に向けるミラー２８と、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されるレーザ光ＬA〜ＬFの波長を狭帯域化する複数の波長安定化素子４１〜４３とを備える。波長安定化素子４１〜４３のそれぞれは、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆのうち互いに異なる２以上の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザモジュール及びファイバレーザ装置に係り、特に複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光して出力するレーザモジュールに関するものである。

従来から、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光し、高パワーのレーザ光を出力するレーザモジュールが知られている。このようなレーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子の発振波長は、製造上のばらつきによって変動し、また温度依存性を有することから、所望の波長のレーザ光を安定して出力するためには、それぞれの半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を特定の波長にロックする必要がある。複数の半導体レーザ素子の出力レーザ光の波長をロックする方法の１つとして、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化するVolume Bragg Grating（ＶＢＧ）と呼ばれる波長安定化素子を用いて特定の波長を選択的に反射させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１Ａは、このようなＶＢＧを用いた従来のレーザモジュールの構成の一例を模式的に示す図である。図１Ａに示す従来のレーザモジュールにおいては、異なる高さに配置されたサブマウント５００上の複数の半導体レーザ素子５１０からそれぞれレーザ光Ｂが出射される。このレーザ光Ｂは、ファースト軸コリメートレンズ５２０及びスロー軸コリメートレンズ５３０によってコリメートされ、ミラー５４０によってその伝搬方向が９０度転換される。この方向転換されたレーザ光Ｂは、ファースト軸集光レンズ５５０及びスロー軸集光レンズ５６０によって集光されて光ファイバ５７０に結合される。

ここで、ファースト軸集光レンズ５５０に最も近い位置にあるミラー５４０Ａとファースト軸集光レンズと５５０との間には波長安定化素子（ＶＢＧ）５９０が配置されている。この波長安定化素子５９０は、ミラー５４０からのレーザ光Ｂのうち特定の波長を反射するように構成されている。これにより、波長安定化素子５９０の反射面と半導体レーザ素子５１０の活性層の反射端面との間で外部共振器が形成され、狭帯域化された波長のレーザ光Ｂ’が波長安定化素子５９０からファースト軸集光レンズ５５０に向けて出力される。

ここで、図１Ａに示す構成では、それぞれの半導体レーザ素子５１０から波長安定化素子５９０までの光路長が異なっている。例えば、半導体レーザ素子５１０Ａから波長安定化素子５９０までの光路長が最も短く、半導体レーザ素子５１０Ｆから波長安定化素子５９０までの光路長が最も長い。図１Ａに示すように、これらの光路長の差はＤ_maxとなる。このような光路長の差は、レーザ光Ｂ’の光ファイバ５７０への結合効率の低下を引き起こし得る。さらに、光路長が長いこと、すなわち共振器長が長いことで外部共振器の導波ロスが増大し、共振器の効率も悪化する傾向にある。このような光路長の差が生じないようにするために、図１Ｂに示すように、半導体レーザ素子５１０ごとに波長安定化素子５９０を設けることも考えられるが、波長安定化素子は高価なものであるため、図１Ｂに示す構成では、多数の波長安定化素子５９０によるレーザモジュールの製造コストの増大が問題となる。例えば、それぞれの波長安定化素子５９０を半導体レーザ素子５１０に対して正確に位置決めする必要が生じ、波長安定化素子５９０の設置作業の工数が増大する。

米国特許出願公開第２０１６／０１７２８２３号明細書

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なレーザモジュールを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、複数の半導体レーザ素子と、上記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる集光レンズと、上記複数の半導体レーザ素子のうち対応する半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して上記集光レンズに向ける複数のミラーと、上記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化する複数の波長安定化素子とを備える。上記複数の波長安定化素子のそれぞれは、上記複数の半導体レーザ素子のうち互いに異なる２以上の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成される。

このような構成によれば、複数の半導体レーザ素子に対して複数の波長安定化素子を用いているため、単一の波長安定化素子を用いる場合よりも、波長安定化素子と半導体レーザ素子との間のレーザ光の光路長の差を小さくすることができる。このため、この光路長の差により光ファイバへのレーザ光の結合効率が低下することが抑制される。また、複数の波長安定化素子のそれぞれが、２以上の異なる半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化しているため、必要とされる波長安定化素子の数を半導体レーザ素子の総数の半分以下に抑えることができる。したがって、波長安定化素子の設置作業の工数が減るので、レーザモジュールの製造コストを抑えることができる。

上記レーザモジュールは、上記複数の半導体レーザ素子のうち対応する半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズをさらに備えていてもよい。この場合において、上記複数の波長安定化素子は、上記２以上の半導体レーザ素子のそれぞれから上記光ファイバに至る光路において、対応する上記コリメートレンズ及び対応する上記ミラーの下流側に配置されていてもよい。この場合には、それぞれの波長安定化素子によって反射されたレーザ光は、対応するコリメートレンズによってコリメートレンズの焦点位置、すなわち対応する半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に戻ることとなる。このため、半導体レーザ素子の活性層外に戻るレーザ光の量が減少し、効率の良い外部共振器を形成することができる。

波長安定化素子と半導体レーザ素子との間の光路長の差を効果的に小さくするためには、上記２以上の半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の半導体レーザ素子であることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、複数の第１半導体レーザ素子と、上記複数の第１半導体レーザ素子のうち対応する複数の第２半導体レーザ素子と、上記複数の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光及び上記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる集光レンズと、上記複数の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光と上記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光とを合成して上記集光レンズに向ける光合成部と、上記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して上記光合成部に向ける補助ミラーと、上記複数の第１半導体レーザ素子のうち対応する第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して上記光合成部に向ける複数の第１ミラーと、上記複数の第２半導体レーザ素子のうち対応する第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して上記補助ミラーに向ける複数の第２ミラーと、上記複数の第１半導体レーザ素子及び上記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化する複数の波長安定化素子とを備える。上記複数の波長安定化素子のそれぞれは、上記複数の第１半導体レーザ素子のうち１以上の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光と、上記複数の第２半導体レーザ素子のうち上記１以上の第１半導体レーザ素子に対応する１以上の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成される。

このような構成によれば、複数の半導体レーザ素子に対して複数の波長安定化素子を用いているため、単一の波長安定化素子を用いる場合よりも、波長安定化素子と半導体レーザ素子との間のレーザ光の光路長の差を小さくすることができる。このため、この光路長の差により光ファイバへのレーザ光の結合効率が低下することが抑制される。また、複数の波長安定化素子のそれぞれが、１以上の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長と、この１以上の第１半導体レーザ素子に対応する１以上の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長とを狭帯域化しているため、位置決め作業を必要とし、高価な部品でもある波長安定化素子の個数の増加を抑えることができるので、レーザモジュールの製造コストを抑えることができる。また、第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光と第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光とを光合成部により合成しているため、より高パワーのレーザ光を出力することが可能となる。

効率的な配置のためには、上記１以上の第１半導体レーザ素子と上記１以上の第２半導体レーザ素子とは同一の高さに配置されることが好ましい。この場合には、波長安定化素子を設置する面を平面にすることができるので、波長安定化素子の設置作業が容易になる。

上記レーザモジュールは、上記複数の第１半導体レーザ素子のうち対応する第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数の第１コリメートレンズと、上記複数の第２半導体レーザ素子のうち対応する第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数の第２コリメートレンズとをさらに備えていてもよい。上記複数の波長安定化素子のそれぞれは、上記１以上の第１半導体レーザ素子から上記光ファイバに至る光路において、対応する上記第１コリメートレンズ及び対応する上記第１ミラーの下流側であって、かつ、上記１以上の第２半導体レーザ素子から上記光ファイバに至る光路において、対応する上記第２コリメートレンズ及び対応する上記第２ミラーの下流側に配置されていてもよい。

波長安定化素子と半導体レーザ素子との間の光路長の差を効果的に小さくするとともに、波長安定化素子の個数を削減するためには、上記１以上の第１半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の第１半導体レーザ素子であり、上記１以上の第２半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の第２半導体レーザ素子であることが好ましい。

本発明の第３の態様によれば、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、上述したレーザモジュールを含む励起光源と、上記レーザモジュールの上記光ファイバに接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバとを備える。

本発明によれば、所望の波長のレーザ光を安定して出力することができる安価なレーザモジュールが得られる。

図１Ａは、従来のレーザモジュールの構成の一例を模式的に示す図である。 図１Ｂは、従来のレーザモジュールの構成の他の例を模式的に示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態におけるレーザモジュールを模式的に示す部分断面平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。 図４は、波長安定化素子と半導体レーザ素子との間の光路長とスロー軸方向のビーム幅との関係を示すグラフである。 図５は、本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュールを模式的に示す部分断面平面図である。 図６は、本発明に係るレーザモジュールを用いたファイバレーザ装置の一例を示す模式図である。

以下、本発明に係るレーザモジュール及びファイバレーザ装置の実施形態について図２から図６を参照して詳細に説明する。なお、図２から図６において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図２から図６においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図２は、本発明の第１の実施形態におけるレーザモジュール１を模式的に示す部分断面平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。図２及び図３に示すように、このレーザモジュール１は、筐体１０と、筐体１０の内部に配置された階段状の台座１２と、筐体１０の内部に延びる光ファイバ１４と、光ファイバ１４を固定するためのファイバマウント１６と、光ファイバ１４を保持する円筒状のファイバ保持部１８とを含んでいる。光ファイバ１４は接着材１９などによりファイバマウント１６上に固定されている。なお、筐体１０の上部には図示しない蓋体が配置されており、この蓋体により筐体の内部空間が封止される。

台座１２は、Ｚ方向の高さが異なる６つの段部１２Ａ〜１２Ｆを有しており、本実施形態では、１段目の段部１２Ａから−Ｘ方向に向かって次第に高くなるように段部１２Ａ〜１２Ｆが形成されている。それぞれの段部１２Ａ〜１２Ｆにはサブマウント２０が配置されており、それぞれのサブマウント２０上には、＋Ｙ方向にレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fを出射する半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆが載置されている。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆのそれぞれから光ファイバ１４に向かってレーザ光が出射される方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

また、台座１２のそれぞれの段部１２Ａ〜１２Ｆには、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆに対応して、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されたレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fをファースト軸方向にコリメートするファースト軸コリメートレンズ２４と、ファースト軸コリメートレンズ２４を透過したレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fをスロー軸方向にコリメートするスロー軸コリメートレンズ２６と、スロー軸コリメートレンズ２６を透過したレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fの伝搬方向を９０度転換するミラー２８とが配置されている。

また、筐体１０の内部に延びる光ファイバ１４の端面と台座１２の１段目の段部１２Ａとの間には、ミラー２８で反射したレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fをファースト軸方向に集光するファースト軸集光レンズ３２と、レーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fをスロー軸方向に集光して光ファイバ１４の端面に結合させるスロー軸集光レンズ３４とが配置されている。

ここで、本実施形態におけるレーザモジュール１は、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化する波長安定化素子（ＶＢＧ）４１〜４３を有している。これらの波長安定化素子４１〜４３は、特定の波長（例えば９７６ｎｍ）を反射するように構成されている。

波長安定化素子４１は、台座１２の１段目の段部１２Ａのミラー２８の＋Ｘ方向側に配置されており、２つのレーザ光の光路上、すなわち、１段目の段部１２Ａに配置された半導体レーザ素子２２Ａから出射されるレーザ光Ｌ_A及び２段目の段部１２Ｂに配置された半導体レーザ素子２２Ｂから出射されるレーザ光Ｌ_Bの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子４１は、レーザ光Ｌ_Aの光路上及びレーザ光Ｌ_Bの光路上でスロー軸コリメートレンズ２６及びミラー２８の下流側に配置されている。

波長安定化素子４２は、台座１２の３段目の段部１２Ｃのミラー２８の＋Ｘ方向側に配置されており、２つのレーザ光の光路上、すなわち、３段目の段部１２Ｃに配置された半導体レーザ素子２２Ｃから出射されるレーザ光Ｌ_C及び４段目の段部１２Ｄに配置された半導体レーザ素子２２Ｄから出射されるレーザ光Ｌ_Dの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子４２は、レーザ光Ｌ_Cの光路上及びレーザ光Ｌ_Dの光路上でスロー軸コリメートレンズ２６及びミラー２８の下流側に配置されている。

波長安定化素子４３は、台座１２の５段目の段部１２Ｅのミラー２８の＋Ｘ方向側に配置されており、２つのレーザ光の光路上、すなわち、５段目の段部１２Ｅに配置された半導体レーザ素子２２Ｅから出射されるレーザ光Ｌ_Eと６段目の段部１２Ｆに配置された半導体レーザ素子２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_Fの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子４３は、レーザ光Ｌ_Eの光路上及びレーザ光Ｌ_Fの光路上でスロー軸コリメートレンズ２６及びミラー２８の下流側に配置されている。

このような構成において、半導体レーザ素子２２Ａから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_Aは、ファースト軸コリメートレンズ２４及びスロー軸コリメートレンズ２６によりそれぞれファースト軸方向及びスロー軸方向にコリメートされ、ミラー２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬する。このレーザ光Ｌ_Aは波長安定化素子４１で反射して半導体レーザ素子２２Ａに向かって戻り、波長安定化素子４１の反射面と半導体レーザ素子２２Ａの活性層の反射端面との間で外部共振器が形成される。これによって、波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_A’が波長安定化素子４１から＋Ｘ方向に出力される。

同様に、半導体レーザ素子２２Ｂから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_Bは、ファースト軸コリメートレンズ２４及びスロー軸コリメートレンズ２６を通過後、ミラー２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子４１で反射する。これにより、波長安定化素子４１の反射面と半導体レーザ素子２２Ｂの活性層の反射端面との間で外部共振器が形成され、波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_B’が波長安定化素子４１から＋Ｘ方向に出力される。

また、半導体レーザ素子２２Ｃから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_C及び半導体レーザ素子２２Ｄから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_Dは、それぞれファースト軸コリメートレンズ２４及びスロー軸コリメートレンズ２６を通過後、ミラー２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子４２で反射して波長安定化素子４２の反射面と半導体レーザ素子２２Ｃ，２２Ｄの活性層の反射端面との間で外部共振器が形成される。これにより、波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_C’，Ｌ_D’が波長安定化素子４２から＋Ｘ方向に出力される。さらに、半導体レーザ素子２２Ｅから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_E及び半導体レーザ素子２２Ｆから＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌ_Fは、それぞれファースト軸コリメートレンズ２４及びスロー軸コリメートレンズ２６を通過後、ミラー２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子４３で反射して波長安定化素子４３の反射面と半導体レーザ素子２２Ｅ，２２Ｆの活性層の反射端面との間で外部共振器が形成される。これにより、波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_E’，Ｌ_F’が波長安定化素子４３から＋Ｘ方向に出力される。

このように、本実施形態における波長安定化素子４１は、互いに異なる２つの半導体レーザ素子２２Ａ，２２Ｂから出射されるレーザ光Ｌ_A，Ｌ_Bの波長を狭帯域化するように構成されており、波長安定化素子４２は、互いに異なる２つの半導体レーザ素子２２Ｃ，２２Ｄから出射されるレーザ光Ｌ_C，Ｌ_Dの波長を狭帯域化するように構成されている。また、波長安定化素子４３は、互いに異なる２つの半導体レーザ素子２２Ｅ，２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_E，Ｌ_Fの波長を狭帯域化するように構成されている。

これらの波長安定化素子４１〜４３で波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’は、ファースト軸集光レンズ３２によってファースト軸に集光され、さらにスロー軸集光レンズ３４によってスロー軸に集光される。これによって、これらのレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’が光ファイバ１４の端面に光学的に結合される。

ところで、最近では、従来の図１Ａに示す構成において、それぞれの半導体レーザ素子５１０から波長安定化素子５９０までの光路長が異なることにより、レーザ光Ｂ’の光ファイバ５７０への結合効率が低下することが分かってきている。例えば、図４は、半導体レーザ素子５１０と波長安定化素子５９０との間のレーザ光の光路長と遠方におけるスロー軸方向のビーム幅との関係を示すグラフである。図４に示すように、遠方におけるビーム幅は、半導体レーザ素子５１０と波長安定化素子５９０との間の光路長によって変化する。このように、図１Ａに示す従来の構成では、波長安定化素子５９０とそれぞれの半導体レーザ素子５１０との間の光路長の差が大きいため、光ファイバ５７０に結合するレーザ光Ｂ’のビーム幅の変動も大きくなる。この結果、レーザ光Ｂ’の光ファイバ５７０への結合効率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態では、６つの半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆに対して３つの波長安定化素子４１〜４３を用いているため、図１Ａに示す従来のレーザモジュールに比べて、波長安定化素子４１〜４３と半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆとの間の光路長の差を小さくすることができる。例えば、波長安定化素子４１について言えば、波長安定化素子４１と半導体レーザ素子２２Ｂとの間の光路長は、波長安定化素子４１と半導体レーザ素子２２Ａとの間の光路長よりもｄ₁長いだけであり、図１Ａに示す従来のレーザモジュールにおける光路長の差の最大値Ｄ_maxに比べて非常に小さい。したがって、レーザ光の光路長の差により生じ得るスロー軸方向のビーム幅の変動を小さくすることができ、この結果、光ファイバ１４へのレーザ光の結合効率が低下してしまうことを抑制することができる。

ここで、波長安定化素子と半導体レーザ素子との間の光路長の差を小さくする上では、本実施形態のように、波長安定化素子４１が、互いにＸ方向に隣接する半導体レーザ素子２２Ａと半導体レーザ素子２２Ｂとから出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成されていることが好ましい。同様に、波長安定化素子４２は、互いにＸ方向に隣接する半導体レーザ素子２２Ｃと半導体レーザ素子２２Ｄとから出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成されていることが好ましく、波長安定化素子４３は、互いにＸ方向に隣接する半導体レーザ素子２２Ｅと半導体レーザ素子２２Ｆとから出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成されていることが好ましい。

また、本実施形態では、複数の波長安定化素子４１〜４３のそれぞれが、２つの異なる半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fの波長を狭帯域化しているため、必要とされる波長安定化素子の数を半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆの総数の半分、すなわち３個にすることができる。したがって、本実施形態によれば、波長安定化素子の設置作業の工数が減るので、レーザモジュール１の製造コストを抑えることができる。

また、本実施形態では、波長安定化素子４１〜４３のそれぞれは、スロー軸コリメートレンズ２６の下流側に配置されているため、それぞれの波長安定化素子４１〜４３によって反射されたレーザ光は、スロー軸コリメートレンズ２６によってスロー軸コリメートレンズ２６の焦点位置、すなわち半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆのそれぞれの活性層に戻ることとなる。このため、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆの活性層外に戻るレーザ光の量が減少し、効率の良い外部共振器を形成することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュール１０１を模式的に示す部分断面平面図である。このレーザモジュール１０１は、上述した第１の実施形態における半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆ（第１半導体レーザ素子）に加えて、半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆ（第２半導体レーザ素子）を有している。すなわち、図５に示すように、台座１２のそれぞれの段部１２Ａ〜１２Ｆにはサブマウント１２０が配置されており、それぞれのサブマウント１２０上に、−Ｙ方向にレーザ光Ｍ_A〜Ｍ_Fを出射する半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆが載置されている。

半導体レーザ素子１２２Ａは、半導体レーザ素子２２Ａと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ａと対向するように配置され、半導体レーザ素子１２２Ｂは、半導体レーザ素子２２Ｂと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ｂと対向するように配置されている。また、半導体レーザ素子１２２Ｃは、半導体レーザ素子２２Ｃと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ｃと対向するように配置され、半導体レーザ素子１２２Ｄは、半導体レーザ素子２２Ｄと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ｄと対向するように配置されている。さらに、半導体レーザ素子１２２Ｅは、半導体レーザ素子２２Ｅと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ｅと対向するように配置され、半導体レーザ素子１２２Ｆは、半導体レーザ素子２２Ｆと同一の高さで半導体レーザ素子２２Ｆと対向するように配置されている。

また、台座１２のそれぞれの段部１２Ａ〜１２Ｆには、半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆに対応して、半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆから出射されたレーザ光Ｍ_A〜Ｍ_Fをファースト軸方向にコリメートするファースト軸コリメートレンズ１２４と、ファースト軸コリメートレンズ１２４を透過したレーザ光Ｍ_A〜Ｍ_Fをスロー軸方向にコリメートするスロー軸コリメートレンズ１２６と、スロー軸コリメートレンズ１２６を透過したレーザ光Ｍ_A〜Ｍ_Fの伝搬方向を９０度転換するミラー１２８とが配置されている。

また、台座１２の１段目の段部１２Ａ上のミラー２８とファースト軸集光レンズ３２との間には、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆからのレーザ光と半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆからのレーザ光とを合成してファースト軸集光レンズ３２に向ける光合成部としてのビームスプリッタ１５０が配置されており、台座１２の１段目の段部１２Ａ上のミラー１２８の＋Ｘ方向側には、半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆから出射されたレーザ光Ｍ_A〜Ｍ_Fを反射してビームスプリッタ１５０に向ける補助ミラー１５２が配置されている。ビームスプリッタ１５０と補助ミラー１５２との間には１／２波長板（図示せず）が配置される。なお、上述した光合成部として、本実施形態に示すビームスプリッタ１５０に代えて、例えばダイクロイックミラーのような光学部品を用いることもできる。

本実施形態におけるレーザモジュール１０１は、特定の波長（例えば９７６ｎｍ）を反射するように構成された波長安定化素子１４１〜１４３を有している。波長安定化素子１４１は、台座１２の１段目の段部１２Ａのミラー２８（第１ミラー）及びミラー１２８（第２ミラー）の＋Ｘ方向側に配置されており、Ｙ方向に延びている。この波長安定化素子１４１は、４つのレーザ光の光路上、すなわち、１段目の段部１２Ａに配置された半導体レーザ素子２２Ａから出射されるレーザ光Ｌ_A、この半導体レーザ素子２２Ａに対向する半導体レーザ素子１２２Ａから出射されるレーザ光Ｍ_A、２段目の段部１２Ｂに配置された半導体レーザ素子２２Ｂから出射されるレーザ光Ｌ_B、この半導体レーザ素子２２Ｂに対向する半導体レーザ素子１２２Ｂから出射されるレーザ光Ｍ_Bの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子１４１は、レーザ光Ｌ_Aの光路上、レーザ光Ｍ_Aの光路上、レーザ光Ｌ_Bの光路上、及びレーザ光Ｍ_Bの光路上で対応するスロー軸コリメートレンズ２６，１２６及び対応するミラー２８，１２８の下流側に配置されている。

波長安定化素子１４２は、台座１２の３段目の段部１２Ｃのミラー２８及びミラー１２８の＋Ｘ方向側に配置されており、Ｙ方向に延びている。この波長安定化素子１４２は、４つのレーザ光の光路上、すなわち、３段目の段部１２Ｃに配置された半導体レーザ素子２２Ｃから出射されるレーザ光Ｌ_C、この半導体レーザ素子２２Ｃに対向する半導体レーザ素子１２２Ｃから出射されるレーザ光Ｍ_C、４段目の段部１２Ｄに配置された半導体レーザ素子２２Ｄから出射されるレーザ光Ｌ_D、この半導体レーザ素子２２Ｄに対向する半導体レーザ素子１２２Ｄから出射されるレーザ光Ｍ_Dの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子１４２は、レーザ光Ｌ_Cの光路上、レーザ光Ｍ_Cの光路上、レーザ光Ｌ_Dの光路上、及びレーザ光Ｍ_Dの光路上で対応するスロー軸コリメートレンズ２６，１２６及び対応するミラー２８，１２８の下流側に配置されている。

波長安定化素子１４３は、台座１２の５段目の段部１２Ｅのミラー２８及びミラー１２８の＋Ｘ方向側に配置されており、Ｙ方向に延びている。この波長安定化素子１４３は、４つのレーザ光の光路上、すなわち、５段目の段部１２Ｅに配置された半導体レーザ素子２２Ｅから出射されるレーザ光Ｌ_E、この半導体レーザ素子２２Ｅに対向する半導体レーザ素子１２２Ｅから出射されるレーザ光Ｍ_E、６段目の段部１２Ｆに配置された半導体レーザ素子２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_F、この半導体レーザ素子２２Ｆに対向する半導体レーザ素子１２２Ｆから出射されるレーザ光Ｍ_Fの光路上に位置している。換言すれば、波長安定化素子１４３は、レーザ光Ｌ_Eの光路上、レーザ光Ｍ_Eの光路上、レーザ光Ｌ_Fの光路上、及びレーザ光Ｍ_Fの光路上で対応するスロー軸コリメートレンズ２６，１２６及び対応するミラー２８，１２８の下流側に配置されている。

また、上述した第１の実施形態と同様に、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されたレーザ光Ｌ_A〜Ｌ_Fは、それぞれファースト軸コリメートレンズ２４及びスロー軸コリメートレンズ２６を通過後、ミラー２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子１４１〜１４３によって波長が狭帯域化されたレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’となる。

半導体レーザ素子１２２Ａから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_Aは、ファースト軸コリメートレンズ１２４及びスロー軸コリメートレンズ１２６を通過後、ミラー１２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子１４１によって波長が狭帯域化されたレーザ光Ｍ_A’となる。同様に、半導体レーザ素子１２２Ｂから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_Bは、ファースト軸コリメートレンズ１２４及びスロー軸コリメートレンズ１２６を通過後、ミラー１２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子１４１によって波長が狭帯域化されたレーザ光Ｍ_B’となる。

また、半導体レーザ素子１２２Ｃから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_C及び半導体レーザ素子１２２Ｄから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_Dは、それぞれファースト軸コリメートレンズ１２４及びスロー軸コリメートレンズ１２６を通過後、ミラー１２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子１４２によって波長が狭帯域化されたレーザ光Ｍ_C’，Ｍ_D’となる。

半導体レーザ素子１２２Ｅから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_E及び半導体レーザ素子１２２Ｆから−Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｍ_Fは、それぞれファースト軸コリメートレンズ１２４及びスロー軸コリメートレンズ１２６を通過後、ミラー１２８により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬し、波長安定化素子１４３によって波長が狭帯域化されたレーザ光Ｍ_E’，Ｍ_F’となる。

波長が狭帯域化されたレーザ光Ｍ_A’〜Ｍ_F’は、補助ミラー１５２により９０度方向転換されて−Ｙ方向に伝搬し、１／２波長板によって偏波された後、ビームスプリッタ１５０によってレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’と偏波合成されてファースト軸集光レンズ３２に出力される。ファースト軸集光レンズ３２でこれらのレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’及びＭ_A’〜Ｍ_F’はファースト軸に集光され、さらにスロー軸集光レンズ３４によってスロー軸に集光される。これによって、これらのレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’及びＭ_A’〜Ｍ_F’が光ファイバ１４の端面に光学的に結合される。

また、本実施形態における波長安定化素子１４１は、互いに隣接する２つの半導体レーザ素子２２Ａ，２２Ｂから出射されるレーザ光Ｌ_A，Ｌ_Bと、これら２つの半導体レーザ素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ同一の高さに配置される２つの半導体レーザ素子１２２Ａ，１２２Ｂから出射されるレーザ光Ｍ_A，Ｍ_Bの波長を狭帯域化するように構成されている。また、波長安定化素子１４２は、互いに隣接する２つの半導体レーザ素子２２Ｃ，２２Ｄから出射されるレーザ光Ｌ_C，Ｌ_Dと、これら２つの半導体レーザ素子２２Ｃ，２２Ｄとそれぞれ同一の高さに配置される２つの半導体レーザ素子１２２Ｃ，１２２Ｄから出射されるレーザ光Ｍ_C，Ｍ_Dの波長を狭帯域化するように構成されており、波長安定化素子１４３は、互いに隣接する２つの半導体レーザ素子２２Ｅ，２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_E，Ｌ_Fと、これら２つの半導体レーザ素子２２Ｅ，２２Ｆとそれぞれ同一の高さに配置される２つの半導体レーザ素子１２２Ｅ，１２２Ｆから出射されるレーザ光Ｍ_E，Ｍ_Fの波長を狭帯域化するように構成されている。

本実施形態では、１２個の半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆ，１２２Ａ〜１２２Ｆに対して３つの波長安定化素子１４１〜１４３を用いているため、図１Ａに示す従来のレーザモジュールに比べて、波長安定化素子１４１〜１４３と半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆ，１２２Ａ〜１２２Ｆとの間の光路長の差を小さくすることができる。したがって、レーザ光の光路長の差により生じ得るスロー軸方向のビーム幅の変動を小さくすることができ、この結果、光ファイバ１４へのレーザ光の結合効率が低下してしまうことを抑制することができる。

また、本実施形態では、複数の波長安定化素子１４１〜１４３のそれぞれが、４つの異なる半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化しているため、必要とされる波長安定化素子の数を半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆ，１２２Ａ〜１２２Ｆの総数の１／４、すなわち３個にすることができる。したがって、本実施形態によれば、波長安定化素子の設置作業の工数が減るので、レーザモジュール１０１の製造コストを抑えることができる。

また、本実施形態のレーザモジュール１０１では、半導体レーザ素子２２Ａ〜２２Ｆから出射されるレーザ光Ｌ_A’〜Ｌ_F’と半導体レーザ素子１２２Ａ〜１２２Ｆから出射されるレーザ光Ｍ_A’〜Ｍ_F’とをビームスプリッタ１５０により合成しているため、上述した第１の実施形態のレーザモジュール１よりも高パワーのレーザ光を出力することができる。

上述したレーザモジュール１又は１０１は、例えばファイバレーザ装置などに用いることができる。図６は、本発明に係るレーザモジュールを用いたファイバレーザ装置の一例を示す模式図である。図６に示すファイバレーザ装置４０１は、光共振器４１０と、光共振器４１０の前方から光共振器４１０に励起光を導入する複数の前方励起光源４２０Ａと、光ファイバ４２１Ａを介してこれらの前方励起光源４２０Ａが接続される前方インラインコンバイナ４２２Ａと、光共振器４１０の後方から光共振器４１０に励起光を導入する複数の後方励起光源４２０Ｂと、光ファイバ４２１Ｂを介してこれらの後方励起光源４２０Ｂが接続される後方インラインコンバイナ４２２Ｂとを備えている。上述したレーザモジュール１又は１０１は、前方励起光源４２０Ａ及び後方励起光源４２０Ｂとして用いることができる。

光共振器４１０は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバ４１２と、増幅用光ファイバ４１２及び前方インラインコンバイナ４２２Ａと接続される高反射ファイバブラッググレーディング（高反射ＦＢＧ）４１４と、増幅用光ファイバ４１２及び後方インラインコンバイナ４２２Ｂと接続される低反射ファイバブラッググレーディング（低反射ＦＢＧ）４１６とから構成されている。例えば、増幅用光ファイバ４１２は、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。

また、ファイバレーザ装置４０１は、後方インラインコンバイナ４２２Ｂから延びるデリバリファイバ４３０をさらに有しており、このデリバリファイバ４３０の後流側の端部には増幅用光ファイバ４１２からのレーザ発振光を例えば被処理物に向けて出射するレーザ出力部４６０が設けられている。

前方インラインコンバイナ４２２Ａ及び後方インラインコンバイナ４２２Ｂは、それぞれ前方励起光源４２０Ａ及び後方励起光源４２０Ｂから出力される励起光を結合して上述した増幅用光ファイバ４１２の内側クラッドに導入するものである。これにより、増幅用光ファイバ４１２の内側クラッドの内部を励起光が伝搬する。

高反射ＦＢＧ４１４は、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。低反射ＦＢＧ４１６は、高反射ＦＢＧ４１４と同様に、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、高反射ＦＢＧ４１４で反射される波長帯の光の一部を通過させ、残りを反射するものである。このように、高反射ＦＢＧ４１４と増幅用光ファイバ４１２と低反射ＦＢＧ４１６とによって、高反射ＦＢＧ４１４と低反射ＦＢＧ４１６との間で特定の波長帯の光を再帰的に増幅してレーザ発振を生じさせる光共振器４１０が構成される。

図６に示す例では、高反射ＦＢＧ４１４側と低反射ＦＢＧ４１６側の双方に励起光源４２０Ａ，４２０Ｂとコンバイナ４２２Ａ，４２２Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザ装置となっているが、高反射ＦＢＧ４１４側と低反射ＦＢＧ４１６側のいずれか一方にのみ励起光源とコンバイナを設置することとしてもよい。また、光共振器４１０内でレーザ発振させるための反射手段としてＦＢＧに代えてミラーを用いることもできる。

また、ファイバレーザ装置としては、シード光源からのシード光を励起光源からの励起光を用いて増幅するＭＯＰＡファイバレーザ装置も知られているが、上述したレーザモジュールはこのようなＭＯＰＡファイバレーザ装置の励起光源としても用いることも可能である。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ レーザモジュール
１０ 筐体
１２ 台座
１２Ａ〜１２Ｆ 段部
１４ 光ファイバ
２０ サブマウント
２２Ａ〜２２Ｆ 半導体レーザ素子（第１半導体レーザ素子）
２４ ファースト軸コリメートレンズ
２６ スロー軸コリメートレンズ
２８ ミラー（第１ミラー）
３２ ファースト軸集光レンズ
３４ スロー軸集光レンズ
４１〜４３ 波長安定化素子
１０１ レーザモジュール
１２０ サブマウント
１２２Ａ〜１２２Ｆ 半導体レーザ素子（第２半導体レーザ素子）
１２４ ファースト軸コリメートレンズ
１２６ スロー軸コリメートレンズ
１２８ ミラー（第２ミラー）
１４１〜１４３ 波長安定化素子
１５０ ビームスプリッタ（光合成部）
１５２ 補助ミラー
４０１ ファイバレーザ装置
４１０ 光共振器
４１２ 増幅用光ファイバ
４１４ 高反射ＦＢＧ
４１６ 低反射ＦＢＧ
４２０Ａ，４２０Ｂ 励起光源
４２１Ａ，４２１Ｂ 光ファイバ
４２２Ａ，４２２Ｂ インラインコンバイナ
４３０ デリバリファイバ
４６０ レーザ出力部

Claims (8)

1. 光ファイバと、
   複数の半導体レーザ素子と、
   前記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を集光して前記光ファイバに結合させる集光レンズと、
   前記複数の半導体レーザ素子のうち対応する半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記集光レンズに向ける複数のミラーと、
   前記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化する複数の波長安定化素子と
   を備え、
   前記複数の波長安定化素子のそれぞれは、前記複数の半導体レーザ素子のうち互いに異なる２以上の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成される、
   レーザモジュール。
2. 前記複数の半導体レーザ素子のうち対応する半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズをさらに備え、
   前記複数の波長安定化素子は、前記２以上の半導体レーザ素子のそれぞれから前記光ファイバに至る光路において、対応する前記コリメートレンズ及び対応する前記ミラーの下流側に配置される、
   請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記２以上の半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の半導体レーザ素子である、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
4. 光ファイバと、
   複数の第１半導体レーザ素子と、
   前記複数の第１半導体レーザ素子に対応する複数の第２半導体レーザ素子と、
   前記複数の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光及び前記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を集光して前記光ファイバに結合させる集光レンズと、
   前記複数の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光と前記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光とを合成して前記集光レンズに向ける光合成部と、
   前記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記光合成部に向ける補助ミラーと、
   前記複数の第１半導体レーザ素子のうち対応する第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記光合成部に向ける複数の第１ミラーと、
   前記複数の第２半導体レーザ素子のうち対応する第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射して前記補助ミラーに向ける複数の第２ミラーと、
   前記複数の第１半導体レーザ素子及び前記複数の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化する複数の波長安定化素子と
   を備え、
   前記複数の波長安定化素子のそれぞれは、前記複数の第１半導体レーザ素子のうち１以上の第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光と、前記複数の第２半導体レーザ素子のうち前記１以上の第１半導体レーザ素子に対応する１以上の第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化するように構成される、
   レーザモジュール。
5. 前記１以上の第１半導体レーザ素子と前記１以上の第２半導体レーザ素子とは同一の高さに配置される、請求項４に記載のレーザモジュール。
6. 前記複数の第１半導体レーザ素子のうち対応する第１半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数の第１コリメートレンズと、
   前記複数の第２半導体レーザ素子のうち対応する第２半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートする複数の第２コリメートレンズと
   をさらに備え、
   前記複数の波長安定化素子のそれぞれは、前記１以上の第１半導体レーザ素子から前記光ファイバに至る光路において、対応する前記第１コリメートレンズ及び対応する前記第１ミラーの下流側であって、かつ、前記１以上の第２半導体レーザ素子から前記光ファイバに至る光路において、対応する前記第２コリメートレンズ及び対応する前記第２ミラーの下流側に配置される、
   請求項４又は５に記載のレーザモジュール。
7. 前記１以上の第１半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の第１半導体レーザ素子であり、
   前記１以上の第２半導体レーザ素子は、互いに隣接する２以上の第２半導体レーザ素子である、
   請求項４から６のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザモジュールを含む励起光源と、
   前記レーザモジュールの前記光ファイバに接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバと
   を備える、ファイバレーザ装置。

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