CN108463754A - 合波激光光源 - Google Patents

Abstract

合波激光光源具备：二维激光光源(1)，其由激光光源排列为二维状而成；二维偏转光学元件，其与所述二维激光光源(1)相对应地配置，该二维偏转光学元件具有X方向转向光学元件(3)以及Y方向转向光学元件(4)，该X方向转向光学元件(3)使所述二维激光光源的各激光光轴朝X方向偏转，该Y方向转向光学元件(4)使所述二维激光光源的各激光光轴朝Y方向偏转；以及耦合透镜，其对来自所述二维偏转光学元件(3、4)的激光进行聚光并耦合至光纤。

Description

合波激光光源

技术领域

本发明涉及一种合波激光光源，其对来自相互独立的多个光源的激光进行合波从而谋求高亮度化。此外，本发明涉及将上述的合波激光光源作为光源的曝光用装置、加工机、照明设备、医疗用设备。

背景技术

以往，作为谋求激光的高输出化的方法，已知有将来自多个光源的多道激光合波到一根光纤等的方法、对耦合有多个光源的光纤进行捆束而结合为一根光纤的方法(专利文献1)。

此外，为了谋求高亮度化，已知有如下的方法：使气密性封装后的多个半导体激光器的多道光束之中的、出射到与聚光光学系统的光轴不同方向的光束朝光轴的方向偏转而入射至聚光光学系统，并使被聚光光学系统聚光后的光束入射至光纤而进行合波(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2002-202442号公报

专利文献2：日本专利特开2007-17925号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献2中，封装后的多个半导体激光器的各方所配置的位置不同，并且多个半导体激光器的各方被配置在三维上。因此，为了在三维上调整并配置多个半导体激光器的光轴，调整需要花费时间，调整成本会增加。

此外，由于半导体激光器产生热，所以需要利用散热器来使半导体激光器散热。但是，在半导体激光器的数量增加的情况下，就需要进行更多的散热，所以散热器结构会复杂化。

本发明的课题是提供一种能够容易地调整激光光源的光轴、且能够降低调整成本的合波激光光源。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明所涉及的合波激光光源具备：二维激光光源，其由激光光源排列为二维状而成；二维偏转光学元件，其与所述二维激光光源相对应地配置，该二维偏转光学元件具有X方向转向光学元件以及Y方向转向光学元件，该X方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝X方向偏转，该Y方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝Y方向偏转；以及耦合透镜，其对来自所述二维偏转光学元件的激光进行聚光并耦合至光纤。

发明的效果

根据本发明，由于对配置在二维平面上的激光光源而言，能够将光轴调整限定在同一平面内，所以能够容易地调整二维激光光源的光轴。由此，能够通过调整的自动化等来降低调整成本。此外，通过二维偏转光学元件使二维激光光源的各激光光轴朝向X方向和Y方向偏转，通过耦合透镜对来自二维偏转光学元件的激光进行聚光并耦合到光纤。因此，可以谋求光束的高密度化并可以实现高输出化。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的构成的图。

图2是本发明的第一实施方式的合波激光光源的使用了CAN型半导体激光器的二维激光器装配部的详细结构图。

图3是本发明的第一实施方式的合波激光光源的使用CAN型半导体激光器并在X方向被分割的二维激光器装配部的详细结构图。

图4是本发明的第一实施方式的合波激光光源的使用CAN型半导体激光器并在Y方向被分割的二维激光器装配部的详细结构图。

图5是本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的详细构成图。

图6是本发明的第一实施方式的合波激光光源的Y方向转向光学元件的详细构成图。

图7是表示本发明的第二实施方式的合波激光光源的构成的图。

图8是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的变形例的构成图。

图9是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的另一变形例的构成图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式的合波激光光源。

(第一实施方式)

图1是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的构成的图。图1所示的合波激光光源具有二维激光器装配部1、散热器2、X方向转向光学元件3、Y方向转向光学元件4、聚光透镜5以及光纤6。

另外，也可以在Y方向转向光学元件4和聚光透镜5之间设置望远镜等光学元件。由此，可以改变光束尺寸等特性。

二维激光器装配部1对应于本发明的二维激光光源，呈平板状，如图2所示，构成为在X方向以及Y方向上、即二维状地排列多个半导体激光器10x1～10xm以及与多个半导体激光器10x1～10xm对置配置的多个透镜11。在X方向(水平方向)上，每隔规定间隔地配置多个半导体激光器10x1～10xm(该例子中m＝5)，在Y方向(垂直方向)上，每隔规定间隔地配置多个半导体激光器10y1～10yn(该例子中n＝3)。

气密性封装后的各半导体激光器10x1～10xm、10y1～10yn由激光二极管组成，并由通过电流驱动注入的电子以及空穴所构成的载流子注入激发，输出由于在注入的电子和空穴的载流子对消失时产生的受激发射而产生的激光。可以使用CAN型半导体激光器作为这些半导体激光器。另外，作为半导体激光器，并没有限定于CAN型半导体激光器。

对于多个半导体激光器10x1～10xm、10y1～10yn，半导体激光器和与该半导体激光器对应的准直透镜11一体化，并通过可实现光轴调整的支架等加以固定。在边发射型半导体激光器中，也可以增加变形透镜、柱面透镜对来执行光束整形。

此外，在二维激光器装配部1的表面，在与各准直透镜11对置的位置设置有贯通孔13，各贯通孔13将经由准直透镜11的来自各半导体激光器10x1～10xm的激光输出至X方向转向光学元件3，将来自半导体激光器10y1～10yn的激光输出至Y方向转向光学元件4。

散热器2呈平板状，与二维激光器装配部1接触或接近地配置，并由对在二维激光器装配部1处产生的热进行散热的散热片构成。作为散热器2，使用导热特性优异的铝、铁、铜、黄铜等金属材料。

此外，也可以使用如图3所示那样将二维激光器装配部1在X方向上分割为多个而构成的分割装配部20A～20E。或者，也可以使用如图4所示那样将二维激光器装配部1在Y方向上分割为多个而构成的分割装配部21A～21C。

在该情况下，在分割装配部20A～20E、21A～21C内的半导体激光器10发生了故障的情况下，仅更换具有该故障了的半导体激光器10的分割装配部即可。此外，在增加或减少半导体激光器10的情况下，仅更换该分割装配部即可。

X方向转向光学元件3以及Y方向转向光学元件4对应于本发明的二维偏转光学元件，通过由玻璃、水晶等透明介质制成的菱形棱镜组构成，其改变激光束的行进方向，更具体地，使二维激光装配部1的各激光光轴朝X方向及Y方向偏转。

图5是本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的详细构成图。如图5所示，与多个半导体激光器10x1～10x5(在该例子中为五个，但不限于此)对置地配置有多个光束整形光学元件11x1～11x5、12x1～12x5和由菱形棱镜组构成的多个菱形棱镜30x1～30x4。

另外，半导体激光器10x3的激光的光轴与通过了转向光学元件3a、4a的光束的光轴方向一致而不通过菱形棱镜，半导体激光器10x3的激光直接经由准直透镜14a、14b而导入到耦合透镜5。

多个光束整形光学元件11x1～11x5、12x1～12x5对来自多个半导体激光器10x1～10x5的激光进行整形，并将整形后的激光引导至多个菱形棱镜30x1～30x4。

多个菱形棱镜30x1～30x4由菱形的长方体构成，使来自多个半导体激光器10x1～10x5的激光偏转成曲柄状并引导至准直透镜14a、14b。

与半导体激光器10x1、10x5对应地配置的菱形棱镜30x1、30x4最长，与半导体激光器10x2、10x4对应地配置的菱形棱镜30x2、30x3第二长。

根据上述构成，能够使来自多个半导体激光器10x1～10x5的激光通过多个光束整形光学元件11x1～11x5、12x1～12x5和多个菱形棱镜30x1～30x4并引导至准直透镜14a、14b以及耦合透镜5。

耦合透镜5用作聚光透镜，其对经由准直透镜14a、14b的来自多个菱形棱镜30x1～30x4的激光进行聚光并将该激光耦合到光纤6。

另外，也可以使用柱镜系统来代替多个光束整形光学元件11x1～11x5、12x1～12x5。

此外，在可以不对来自多个半导体激光器10x1～10x5的激光进行光束整形而是直接引导至多个菱形棱镜30x1～30x4的情况下，也可以不设置多个光束整形光学元件11x1～11x5、12x1～12x5。

图6是本发明的第一实施方式的合波激光光源的Y方向转向光学元件的详细构成图。如图6所示，与Y方向的多个半导体激光器10y1～10y5(在该例子中为五个，但不限于此)对置地配置有准直透镜15a、15b和由菱形棱镜组构成的多个菱形棱镜40y1～40y5。

准直透镜15a、15b对来自多个半导体激光器10y1～10y5的激光束进行准直，并引导至多个菱形棱镜40y1、40y2、40y4、40y5。另外，半导体激光器10y3的激光的光轴与光纤6的光轴一致而不通过菱形棱镜，半导体激光器10y3的激光直接被导入至耦合透镜5。

多个菱形棱镜40y1、40y2、40y4、40y5由菱形的长方体构成，使来自多个半导体激光器10y1～10y5的激光偏转成曲柄状并引导至准直透镜15a、15b。

与半导体激光器10y1、10y5对应地配置的菱形棱镜40y1、40y5较长，与半导体激光器10y2、10y4对应地配置的菱形棱镜40y2、40y4较短。

根据上述构成，能够使来自多个半导体激光器10y1～10y5的激光通过准直透镜15a、15b和多个菱形棱镜40y1、40y2、40y4、40y5并引导至耦合透镜5。

根据这样构成的第一实施方式的合波激光光源，由于对配置在二维平面上的二维激光器装配部1而言，能够将二维激光器装配部1的光轴调整限定在同一平面内，所以可以容易地调整二维激光器装配部1的光轴。由此，可以降低调整成本。

此外，由于通过X方向转向光学元件3以及Y方向转向光学元件4使二维激光器装配部1的各激光光轴朝X方向以及Y方向偏转，所以通过耦合透镜5使来自X方向转向光学元件3以及Y方向转向光学元件4的激光聚光并耦合至光纤6。因此，能够谋求光束的高密度化。

此外，可以将半导体激光器10和准直透镜11一体化，在同一平面内朝左右方向移动一体化后的半导体激光器10和准直透镜11，以使来自半导体激光器10的激光导入至贯通孔13的方式调整半导体激光器10和准直透镜11的位置。

此外，在现有的专利文献2所记载的图10(A)所示的构成中，由于半导体激光器LD1和半导体激光器LD7之间的光程差较大，所以光束扩散。

相对于此，在本发明中，如图5所示，半导体激光器10x1～10x2与半导体激光器10x4～10x5呈对称状。因此，半导体激光器10x1和半导体激光器10x2的光程差就变小。因此，光束的扩散就变小。半导体激光器间的光束形状的差变小。

(第二实施方式)

图7是表示本发明的第二实施方式的合波激光光源的构成的图。图7的(a)是合波激光光源的俯视图，图7的(b)是包含激光器模块1a、1b的激光光源的截面图，图7的(c)是反射镜8和偏振合波元件9a的截面图。

如图7的(a)所示，例如安装有4个激光器模块1a～1d(与二维激光器装配部对应)，其中在x方向(水平方向)配置2个、在Y方向(垂直方向)配置2个。激光器模块1a～1d中的各方中例如装配有15个半导体激光器10，其中在X方向配置3个、在Y方向配置5个。

如图7的(b)所示，合波激光光源中设置有第一激光光源和第二激光光源，第一激光光源由激光器模块1a、X方向转向光学元件3a、Y方向转向光学元件4a、棱镜7a构成，第二激光光源由激光器模块1b、X方向转向光学元件3b、Y方向转向光学元件4b、棱镜7b构成。在第一激光光源和第二激光光源之间设置有反射镜8。

通过X方向转向光学元件3a和Y方向转向光学元件4a使来自激光器模块1a内的半导体激光器10的激光朝X方向以及Y方向偏转，并导入至棱镜7a。棱镜7a使偏振后的来自激光器模块1a的激光偏转180度并引导至反射镜8。

另一方面，通过X方向转向光学元件3b和Y方向转向光学元件4b使来自激光器模块1b内的半导体激光器10的激光朝X方向以及Y方向偏转，并导入至棱镜7b。棱镜7b使偏振后的来自激光器模块1b的激光偏转180度并引导至反射镜8。

如图7的(c)所示，反射镜8反射来自棱镜7a的激光和来自棱镜7b的激光并引导至偏振合波元件9a。

此外，关于激光器模块1c、1d也和图7的(b)所示的构成相同，设置有第三激光光源和第四激光光源，第三激光光源由激光器模块1c、X方向转向光学元件3c、Y方向转向光学元件4c、棱镜7c构成，第四激光光源由激光器模块1d、X方向转向光学元件3d、Y方向转向光学元件4d、棱镜7d构成。在第三激光光源和第四激光光源之间设置有偏振合波元件9a。

通过X方向转向光学元件3c和Y方向转向光学元件4c使来自激光器模块1c内的半导体激光器10的激光朝X方向以及Y方向偏转，并导入至棱镜7c。棱镜7c使偏振后的来自激光器模块1c的激光偏转180度并经由波片9b而引导至偏振合波元件9a。

另一方面，通过X方向转向光学元件3d和Y方向转向光学元件4d使来自激光器模块1d内的半导体激光器10的激光朝X方向以及Y方向偏转，并导入至棱镜7d。棱镜7d使偏振后的来自激光器模块1d的激光偏转180度并经由波片9b而引导至偏振合波元件9a。

偏振合波元件9a对来自反射镜8的激光和来自波片9b的激光进行合波，经由透镜5a而引导至光纤6。

根据如上文那样构成的第二实施方式的合波激光光源，通过X方向转向光学元件3a～3d和Y方向转向光学元件4a～4d使来自激光器模块1a～1d的激光偏转，并通过棱镜7a～7d的偏转而反转180度，使得激光通过聚光透镜5a聚光而耦合至光纤6。即，相对于激光器的光轴，通过了棱镜7a、7b的光束的光轴方向被反转180度。

此外，由于对来自激光器模块1a、1b的激光和来自激光器模块1c、1d的激光进行合波，所以可以获得高输出的激光。特别是，通过使所有的激光器模块1a～1d的波长相同，可以在维持二维配置的同时获得高输出的激光器。

此外，激光器模块1a～1d中的各方可以设置为互不相同的波长。由此，可以实现多色激光器。

此外，即使在半导体激光器10存在异常的情况下，也可以仅更换具有异常的半导体激光器10的激光器模块。

图8是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的变形例的构成图。图8所示的X方向转向光学元件的变形例的特征在于，使用45度棱镜对31、32来代替图5所示的X方向转向光学元件即菱形棱镜30x1～30x5。

45度棱镜对31、32中的各方由45度的三角形棱镜构成，并且被配置为彼此对置，激光从一个45度棱镜传送至另一个45度棱镜，从而使激光偏转为曲柄状。

使用这种45度棱镜对31、32也可以获得与菱形棱镜30x1～30x5相同的效果，并且由于45度棱镜对31、32较小，因此更廉价。

图9是表示本发明的第一实施方式的合波激光光源的X方向转向光学元件的另一变形例的构成图。图9所示的X方向转向光学元件的另一变形例的特征在于，使用45度棱镜反射镜33、34来代替图5所示的X方向转向光学元件即菱形棱镜30x1～30x5。

45度棱镜反射镜33、34中的各方由45度的三角形反射镜构成，并且被配置为彼此对置，激光从一个45度棱镜反射镜传送至另一个45度棱镜反射镜，从而使激光偏转为曲柄状。

使用45度棱镜反射镜33、34也可以获得与菱形棱镜30x1～30x5相同的效果，并且由于45度棱镜反射镜33、34较小，因此更廉价。

产业上的可利用性

本发明可以应用于激光加工装置、激光照明装置等高输出合波激光光源中。

Claims (8)

1.一种合波激光光源，其特征在于，具备：

二维激光光源，其由激光光源排列为二维状而成；

二维偏转光学元件，其与所述二维激光光源相对应地配置，该二维偏转光学元件具有X方向转向光学元件以及Y方向转向光学元件，该X方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝X方向偏转，该Y方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝Y方向偏转；以及

耦合透镜，其对来自所述二维偏转光学元件的激光进行聚光并耦合至光纤。

2.根据权利要求1所述的合波激光光源，其特征在于，

所述二维激光光源具有准直透镜，并将所述激光光源和所述准直透镜一体化，一体化后的所述激光光源被排列为二维状。

3.根据权利要求2所述的合波激光光源，其特征在于，

所述二维激光光源在X方向或者Y方向上被分割为多个。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的合波激光光源，其特征在于，

所述二维偏转光学元件由菱形棱镜构成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的合波激光光源，其特征在于，

所述二维偏转光学元件由45度棱镜对构成。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的合波激光光源，其特征在于，

所述二维偏转光学元件由45度棱镜反射镜构成。

7.一种合波激光光源，其特征在于，具备：

多个二维激光光源，它们由激光光源排列为二维状而成；

多个二维偏转光学元件，它们与所述多个二维激光光源相对应地配置，该多个二维偏转光学元件具有X方向转向光学元件以及Y方向转向光学元件，该X方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝X方向偏转，该Y方向转向光学元件使所述二维激光光源的各激光光轴朝Y方向偏转；

多个棱镜，它们使来自所述多个二维偏转光学元件的各激光光轴偏转180度；以及

耦合透镜，其对来自所述多个棱镜的激光进行聚光并耦合至光纤。

8.根据权利要求7所述的合波激光光源，其特征在于，

所述多个二维激光光源中的各方被设定为互不相同的波长。