激光振荡装置的制作方法

1.本发明涉及主要用于切断、焊接等的加工用途的直接二极管激光方式的激光振荡装置。


背景技术：

2.作为激光振荡装置的结构，存在将从多个激光源出射的多个激光合成来形成一条激光的技术(例如，参照专利文献1)。
3.近年来，作为上述技术的激光源，实现了基于使用激光二极管(ld)的直接二极管方式(ddl方式)的激光振荡装置。ddl方式的激光振荡装置能够有效利用激光二极管的较高的振荡效率，直接用于加工。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：美国专利第6208679号说明书


技术实现要素：

[0007]-发明要解决的课题-[0008]
但是，基于上述ddl方式，不容易实现生成稳定的输出的激光的激光振荡装置。
[0009]-解决课题的手段-[0010]
鉴于上述情况，本发明的一方面涉及激光振荡装置，具备：多个半导体激光二极管；光学部件，通过将从所述多个半导体激光二极管发出的多个激光朝向特定的方向，从而生成包含所述多个激光并在所述特定的方向传输的重叠激光；和光开关元件，从所述光学部件接受所述重叠激光，所述重叠激光具有多个波长。
[0011]-发明效果-[0012]
根据本发明，能够容易实现采用ddl方式并且生成稳定的输出的激光的激光振荡装置。
附图说明
[0013]
图1是对本发明的一实施方式所涉及的激光振荡装置的激光生成部分的结构进行说明的概略图。
[0014]
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的激光振荡装置的概要结构的框图。
具体实施方式
[0015]
本实施方式所涉及的激光振荡装置具备：多个半导体激光二极管(以下，也简称为“ld”)；光学部件，通过将从多个半导体激光二极管发出的多个激光朝向特定的方向，从而生成包含多个激光并在特定的方向传输的重叠激光；光开关元件，从光学部件接受重叠激光；和输出镜，位于重叠激光的光路上。光学部件例如是衍射光栅，但也可以是使棱镜等的
光折射的介质。
[0016]
以下，参照附图，对本实施方式所涉及的激光振荡装置的结构更加详细地进行说明。
[0017]
图1是对本实施方式所涉及的激光振荡装置的核心即激光生成部分的结构进行说明的概略图，是示意性地说明基于ddl方式的激光生成的图。图1中，半导体激光二极管(ld)1a～1e发出激光121a～121e。多个激光121a～121e经由第1准直器2a～2e、旋转元件3a～3e以及第2准直器4a～4e，入射至衍射光栅5。衍射光栅5接受激光121a～121e，生成包含激光121a～121e的一条重叠激光122。重叠激光122经由光开关元件130以及输出镜10，向外部出射。第1准直器2a～2e、旋转元件3a～3e、第2准直器4a～4e以及衍射光栅5整体构成激光合成部120。
[0018]
图1中，ld1a～1e分别与第1准直器2a～2e的对应的一个、旋转元件3a～3e的对应的一个、以及第2准直器4a～4e的对应的一个形成组。另外，图1中，ld的个数是5个，但本实施方式并不限定ld的数量。ld的个数能够根据所希望的激光的输出能量而调整。
[0019]
(半导体激光二极管(ld))
[0020]
ld1a～1e生成激光121a～121e。ld例如是芯片形状的ld芯片。作为ld芯片，优选使用端面发光型(eel：edge emitting laser)的ld芯片。端面发光型的ld芯片中，例如，长条的棒形状的谐振器在芯片内与基板面平行地形成。谐振器具有在谐振器的长边方向分离地配置的第1端面和第2端面。第1端面被第1高反射率的第1反射膜覆盖以使得激光几乎全反射。另一方面，第2端面被比第1高反射率小的第2高反射率的第2反射膜覆盖。通过第1端面和第2端面的反射而放大且相位一致的激光从第2端面出射。谐振器的长边方向的长度被称为谐振器长度(cl：cavity length)。
[0021]
ld芯片也可以具备多个谐振器，出射多个激光。该情况下，多个激光能够分别从第2端面的多个位置出射。换句话说，ld能够具有多个发光点。发光点能够沿着谐振器的第2端面即芯片的端面，一维地排列。
[0022]
ld1a～1e与恒流源110(参照图2)连接。ld1a～1e可以与恒流源110串联连接，也可以并联连接。
[0023]
激光121a～121e具有能够得到高输出(增益)的波段。该波段具有某种程度的宽度。此外，可得到该高输出(增益)的波段能够依赖于ld芯片的温度(即，根据使ld1a～1e驱动的期间的长度)而变化。另外，在本实施方式中，分别构成ld1a～1e，以使得从ld1a～1e的驱动开始经过充分时间，从ld1a～1e发出的激光的输出稳定的时刻，在得到高输出(增益)的波段内存在后述的锁定波长。
[0024]
关于激光的波长，虽然不特别限定，但例如能够使用峰值波长975
±
25nm或者895
±
25nm的红外激光、峰值波长400～425nm的蓝色激光等。
[0025]
(第1准直器)
[0026]
从ld1a～1e发出的激光121a～121e均随着传播而扩散，其光束宽度扩大。第1准直器2a～2e使激光121a～121e在第1方向平行光化。即，第1准直器2a～2e抑制激光121a～121e的第1方向上的光束宽度的扩大，使激光121a～121e平行光化以使得第1方向上的光束宽度大致一定。第1方向也可以是光束宽度的扩大最大的方向。第1方向例如是与ld芯片的基板面垂直的方向。与ld芯片的基板面垂直的方向一般可以是从ld芯片发出的激光的快轴
的方向。与此相对地，与ld芯片的基板面平行且沿着光的出射面的方向一般可以是从ld芯片发出的激光的慢轴的方向。第1准直器2a～2e例如是凸透镜。
[0027]
(旋转元件)
[0028]
旋转元件3a～3e从第1准直器2a～2e接受在第1方向被平行光化的激光121a～121e，使这些激光121a～121e旋转。另外，上述中，所谓“使光旋转”是指使与光(光束)的传播方向垂直的面上的剖面形状旋转。
[0029]
ld1a～1e的至少一个也可以是具有多个发光点的ld芯片。也可以ld1a～1e均具有多个发光点。例如，在ld1a是具有多个发光点的ld芯片的情况下，与发光点对应的多个激光被生成以及出射，随着传播而扩散，其光束宽度扩大。旋转元件3a使各个激光的剖面形状旋转，以使得发光点不同的激光彼此的重叠减少。由此，可得到高输出的激光束。
[0030]
在通过旋转元件3a之前，发光点不同的多个激光在与ld芯片的基板面平行且沿着光的出射面(芯片端面)的方向排列。此外，由于受到基于第1准直器2a的平行光化，因此各个激光的剖面形状为以第1方向为短轴的扁平的形状(例如，椭圆或者方形)。旋转元件3a例如使椭圆形状的激光旋转，以使得椭圆形状的激光的长轴方向与基板面所成的角接近于直角(短轴方向与基板面所成的角接近于0
°
)。例如，在第1方向是与ld芯片的基板面垂直的方向的情况下，激光能够通过旋转元件3a而被旋转90
°
。旋转元件3a例如是凸透镜，使具有与激光的出射方向垂直且相对于基板面例如倾斜45
°
的轴的圆柱透镜沿着发光点的排列方向排列而成。
[0031]
第1准直器2a～2e以及旋转元件3a～3e能够分别安装于对应的ld1a～1e。并且，能使用ld1a～1e的对应的一个、第1准直器2a～2e的对应的一个、旋转元件3a～3e的对应的一个被一体化的部件，组成激光振荡装置。
[0032]
(第2准直器)
[0033]
第2准直器4a～4e接受通过第1准直器2a～2e而在第1方向平行光化的激光121a～121e，使这些激光121a～121e在第2方向平行化。即，第2准直器4a～4e抑制通过第1准直器2a～2e而在第1方向平行光化的激光的第2方向上的光束宽度的扩大，使激光平行光化以使得第2方向上的光束宽度大致一定。优选地，第2准直器4a～4e可以使经由第1准直器2a～2e之后经由旋转元件3a～3e的激光平行光化。在未设置旋转元件3a～3e的情况下，第2方向与第1方向不同，例如是与第1方向垂直的方向。在设置了旋转元件3a～3e的情况下，第2方向与旋转后的第1方向不同，例如是与旋转后的第1方向垂直的方向。在旋转元件3a～3e使激光旋转90
°
的情况下，第1方向与第2方向可以平行。第2方向可以是从ld芯片发出的激光的慢轴的方向。第2准直器4a～4e例如是凸透镜。
[0034]
(衍射光栅)
[0035]
衍射光栅5接受从ld1a～1e发出并通过第1准直器2a～2e、旋转元件3a～3e、第2准直器4a～4e的激光121a～121e。衍射光栅5通过使接受的激光121a～121e朝向不依赖于ld1a～1e的特定的方向，从而生成在特定的方向传输的重叠激光122。重叠激光122包含分别朝向特定的方向的激光121a～121e。衍射光栅5可以是反射型，也可以是透射型。
[0036]
ld1a～1e在激光振荡装置100内分离配置。因此，无法避免入射到衍射光栅5的激光121a～121e的入射角按照每个ld1a～1e而不同。一般地，由于衍射强度极大的衍射角取决于入射角，因此若将从ld1a～1e出射的激光121a～121e的波长设为相同，则衍射角也按
照每个ld1a～1e而不同，难以将重叠激光122朝向相同方向。
[0037]
但是，衍射角也取决于波长，因此通过使从ld1a～1e出射的激光121a～121e的波长相互不同，从而即使在朝向衍射光栅5的入射角按照每个ld1a～1e而不同的情况下，也能够使激光121a～121e的衍射角一定，其结果，能够使从ld1a～1e出射的激光121a～121e朝向特定的方向。将从ld1a～1e出射的激光121a～121e在该特定的方向衍射时的激光121a～121e的各个波长称为锁定波长。锁定波长按照每个ld1a～1e而不同。
[0038]
因此，重叠激光122具有按照每个ld1a～1e而不同的多个波长(锁定波长)。即，重叠激光122重叠地包含多个激光121a～121e，该多个激光121a～121e具有在峰值具备分别不同的锁定波长的波长分布。
[0039]
另外，也可以取代衍射光栅5，使用棱镜或者透镜等使光折射的介质的光学部件，使从ld1a～1e出射的激光121a～121e朝向特定的方向。
[0040]
本实施方式所涉及的激光振荡装置将从多个ld1a～1e发出的多个激光121a～121经由衍射光栅等光学部件(例如衍射光栅5)而重叠，生成一条激光束(重叠激光122)。从ld1a～1e发出的激光121a～121e分别通过光学部件来改变传播方向。但是，由于ld1a～1e分别分离配置，因此入射到光学部件的激光121a～121e的入射角按照每个ld1a～1e而不同。结果，例如在光学部件是衍射光栅的情况下，(若激光的波长相同)则来自光学部件的衍射强度极大的衍射角也按照每个ld而不同。同样地，例如在光学部件是棱镜的情况下，(若激光的波长相同)折射后的透射角也按照每个ld而不同。
[0041]
但是，衍射角以及透射角也取决于激光121a～121e的波长。因此，通过分别针对ld1a～1e调整输出的激光121a～121e的波长，能够不依赖于ld1a～1e而使来自光学部件的衍射角或者透射角大致一定。由此，从多个ld1a～1e发出的激光121a～121e集中为一条重叠激光122，朝向不依赖于ld121a～121e的配置的特定的方向。该情况下，重叠激光122具有ld1a～1e分别对应的多个波长(锁定波长)。
[0042]
即，重叠激光122包含具有与各个ld相应的多个不同的锁定波长的激光121a～121e。因此，各个ld需要进行基于其ld的特性的挑选，进行装置内的个别的调整，以使得在根据其配置而决定的锁定波长能够得到较高的增益。
[0043]
另一方面，在具备ld的激光振荡装置中，在电源接通后，到输出稳定为止，需要一定的期间(例如，几秒左右)。其理由是由于，在电源刚刚接通后到输出稳定时为止期间，由于温度变化，得到高增益的波段(高增益波段)会变化。在电源刚刚接通后，例如，高增益波段处于短波长侧，随着温度上升，高增益波段向长波长侧移动。通常，需要调整基于各个ld的特性的挑选、以及振荡装置的整体结构，以使得在输出稳定时在增益较高的波段内存在锁定波长。
[0044]
但是，在具有上述的每个ld的温度特性的情况下，按照各个配置位置的每个来进行ld位置的调整、挑选的条件极其严格。结果，会产生至少一个ld的锁定波长由于其配置而未存在于高增益波段内的情况。该情况下，成为不能得到所希望的总输出的激光振荡装置。
[0045]
因此，在本实施方式中，其目的在于，通过设置光开关元件，来消除上述课题。后面叙述光开关元件的作用。
[0046]
(光开关元件)
[0047]
光开关元件130从衍射光栅5接受重叠激光122，根据施加的电信号(例如，电压信
号)，使重叠激光122透射(接通状态)或者被切断(关断状态)。在接通状态的情况下，重叠激光122在输出镜10透射或者反射，外部谐振器成为振荡状态。另一方面，在关断状态下，到达输出镜10的重叠激光122被光开关元件130遮挡。因此，外部谐振器不振荡。
[0048]
在通过恒流源维持ld1a～1e的发光的状态下，通过向光开关元件130施加电信号，能够根据电信号，使从输出镜10出射的重叠激光122的输出变化。例如，若对光开关元件130施加脉冲信号，则能够从输出镜10取出脉冲激光124。
[0049]
该情况下，在施加脉冲信号的期间，ld1a～1e可以分别保持驱动状态。即，可以保持维持向ld1a～1e施加恒流的状态。因此，能够对ld1a～1e的驱动使用一般的恒流源，不需要使用高价的脉冲恒流源。此外，由于在脉冲信号的施加中维持向ld施加恒流的状态，因此ld1a～1e的温度大致一定，高增益波段不变化。因此，可得到稳定的输出的脉冲激光。激光振荡装置也容易切换以使得在产生脉冲激光后，产生连续激光，适合激光加工用途。
[0050]
但是，如上所述，光开关元件130接受包含具有多个锁定波长的激光121a～121e的重叠激光122。因此，光开关元件130具有能够将具有不同的锁定波长的激光121a～121e分别切断的性能。在ld1a～1e中，最长的锁定波长与最短的锁定波长的差通常为20nm左右。因此，光开关元件130使用能够将激光开关的波段的宽度为20nm以上的元件。能够将激光开关的波段的宽度更加优选为50nm以上。
[0051]
此外，由于重叠激光122包含从多个ld1a～1e出射的激光121a～121e，因此具有较大的激光输出。光开关元件130使用可切断的激光输出较大(例如，1kw以上)的元件，以使得能够切断上述那样的重叠激光122。
[0052]
作为光开关元件130的结构，例如举例包含电光学(eo)元件的结构、或者包含声光学(ao)元件的结构。作为电光学元件的例子，举例普克尔盒(pockels cell)。在普克尔盒中，使用根据电压的施加而双折射性变化的电光学材料。由此，根据电压的施加来控制光的折射或者偏振状态，使其作为光开关而进行动作。作为声光元件的例子，举例通过超声波的施加而产生周期性的折射率的变化的声光学调制器。周期性的折射率的变化作为衍射光栅发挥作用，通过将衍射光设为输出来利用于开关。
[0053]
为了扩大可开关的波长带宽，也可以对光开关元件130施加将普克尔盒的激光的入射面以及出射面由宽频带的反射防止膜覆盖等的处理。
[0054]
光开关元件130在关断状态下，不需要完全遮挡来自衍射光栅5的重叠激光122，使入射到输出镜10的重叠激光122的输出减少到基于外部谐振器的振荡停止的程度即可。光开关元件130具有在关断状态使重叠激光122的输出的10％以下透射(换言之，将激光的输出的90％以上切断)的性能即可。
[0055]
也可以将多个光开关元件组合，整体构成一个光开关元件130。例如也可以将第1以及第2光开关元件串联连接以使得来自第1光开关元件的出射光入射到第2光开关元件，整体构成一个光开关元件130。该情况下，各个第1以及第2光开关元件也可以具有在关断状态使激光的输出的例如30％以下透射(换言之，将激光的输出的70％以上切断)的性能。由于在关断状态，透射光开关元件130的激光的输出为9％以下，因此能够容易实现光开关元件130。
[0056]
光开关元件130也可以在重叠激光122的光路被配置于比输出镜10更靠前级(即，衍射光栅5与输出镜10之间)，也可以被配置于比输出镜10更靠后级(即，夹着输出镜10而与
衍射光栅5对置的一侧)。
[0057]
(输出镜)
[0058]
输出镜10使来自衍射光栅5的重叠激光122的一部分去除并使其反射。被输出镜10反射的重叠激光122返回至衍射光栅5，通过衍射光栅5而分离为多个激光并返回至ld1a～1e。由此，在激光振荡装置100内，使激光121a～121e外部谐振(光开关元件130接通状态的情况)。通过外部谐振而提高了输出的重叠激光122的一部分透射输出镜10，出射到外部。
[0059]
图2是表示本发明的一实施方式所涉及的激光振荡装置100的结构的概略的框图。激光振荡装置100具备恒流源110、激光合成部120以及光开关元件130。
[0060]
在激光合成部120，设置通过恒流源110而驱动的多个ld。激光合成部120将从多个ld1a～1e出射的多个激光121a～121e集中，生成一条重叠激光122。重叠激光122在该状态下，是根据时间而输出一定的cw(continuous wave)输出。重叠激光122入射到光开关元件130。此时，根据施加于光开关元件130的脉冲电压132，调制通过光开关元件130的重叠激光122的输出。因此，能够取出脉冲激光124。另外，脉冲电压132能够通过内置或者外置于激光振荡装置100的控制电路而生成。
[0061]
上述的实施方式仅仅是本发明的一个例子，各部的具体结构并不限定于上述的具体例，当然在起到本发明的作用效果的范围内能够适当进行变更设计。
[0062]
例如，激光合成部120也可以不具备第1准直器2a～2e、旋转元件3a～3e以及第2准直器4a～4e的全部或者一部分。例如，光学部件也可以从ld1a～1e直接接受激光121a～121e。
[0063]
产业上的可利用性
[0064]
本发明的激光振荡装置是直接二极管激光方式的激光振荡装置，由于是高输出，因此对激光加工有用。
[0065]-符号说明-[0066]
100：激光振荡装置
[0067]
10：输出镜
[0068]
110：恒流源
[0069]
120：激光合成部
[0070]
1a～1e：半导体激光二极管(ld)
[0071]
2a～2e：第1准直器
[0072]
3a～3e：旋转元件
[0073]
4a～4e，第2准直器
[0074]
5：衍射光栅
[0075]
130：光开关元件。