| US20150331245A1 | 2015-11-19 | |||
| CN105932545A | 2016-09-07 | |||
| JP2008260054A | 2008-10-30 | |||
| JP2017208445A | 2017-11-24 | |||
| JPH05235453A | 1993-09-10 |
| 〇 2020/174752 21 卩（：171? 2019 /043012 請求の範囲 [請求項 1 ] 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器であ って、 予め定めた方向に沿って配列され、 互いに異なる波長の光ビームを 放出する複数のレーザ素子を有するレーザダイオードアレイと、 各レーザ素子から放出される光ビームを、 その波長に応じた回折角 で回折させる回折格子と、 前記回折格子によって回折した光ビームの一部を反射して、 各レー ザ素子に戻す出カカブラと、 前記レーザダイオードアレイと前記回折格子との間に設けられ、 各 レーザ素子から放出される各光ビームを互いに整列させる光学系とを 備え、 前記光学系は、 前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向 けて順に、 前記予め定めた方向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ 素子と、 前記予め定めた方向にのみ正のパワーを有する第 2レンズ素 子とを含む、 光共振器。 [請求項 2] 前記光学系は、 前記レーザダイオードアレイと前記第 2レンズ素子 との間の距離よりも長い焦点距離を有する請求項 1記載の光共振器。 [請求項 3] 前記光学系は、 下記の式を満たす請求項 1記載の光共振器。 [数 1 ] ここで、 チ 1は前記第 2レンズ素子の焦点距離、 チ 2は前記第 1 レ ンズ素子の焦点距離、 3は前記第 1 レンズ素子の物体側主平面から前 記第 2レンズ素子の像側主平面までの距離、 は前記回折格子での回 折次数、 スは共振波長である。 〇 2020/174752 22 卩（：171? 2019 /043012 [請求項 4] 前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向けて順に、 各レ —ザ素子から放出された各光ビームをファースト方向にコリメートす るファースト軸コリメータと、 前記ファースト軸コリメータから出射 した各光ビームを主光線周りに 9 0度回転させるビームツイスタと、 前記ビームツイスタから出射した各光ビームをスロー方向にコリメー 卜するスロー軸コリメータとが設けられ、 前記光学系の焦点位置を前 記ビームツイスタ出射面近傍とした請求項 1記載の光共振器。 [請求項 5] 前記複数のレーザ素子は、 波長 4 0 0 n 帯の光ビームを発生する 請求項 1〜 4のいずれかに記載の光共振器。 [請求項 6] 請求項 1〜 5のいずれかに記載の光共振器と、 前記光共振器から出力された光ビームを被加工物に向けて照射する 加工へッ ドとを備えるレーザ加工装置。 |
明 細 書
発明の名称 ： 光共振器およびレーザ加工装置
技術分野
[0001 ] 本開示は、 光共振器、 特に波長合成型の光共振器に関する。 また本開示は 、 こうした光共振器を用いたレーザ加工装置に 関する。
背景技術
[0002] 特許文献 1は、 発振波長が同調可能なエキシマレーザ装置を 開示する。 ビ —ム拡大器の入射瞳面を中心にビーム拡大器 と回折格子の双方を載置した回 転ステージを回転させることによって、 発振波長の同調が行われる。
先行技術文献
特許文献
[0003] 特許文献 1 :特開平 5— 2 3 5 4 5 3号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0004] 本開示は、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装 置の小型化が図ら れる光共振器を提供する。 また本開示は、 こうした光共振器を用いたレーザ 加工装置を提供する。
課題を解決するための手段
[0005] 本開示は、 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長 合成型の光共振器 に関する。 前記光共振器は、 予め定めた方向に沿って配列され、 互いに異な る波長の光ビームを放出する複数のレーザ素 子を有するレーザダイオードア レイを備える。 前記光共振器はさらに、 各レーザ素子から放出される光ビー ムを、 その波長に応じた回折角で回折させる回折格 子を備える。 前記光共振 器はさらに、 前記回折格子によって回折した光ビームの一 部を反射して、 各 レーザ素子に戻す出カカブラを備える。 前記光共振器はさらに、 前記レーザ ダイオードアレイと前記回折格子との間に設 けられ、 各レーザ素子から放出 される各光ビームを互いに整列させる光学系 を備える。 前記光学系は、 前記 〇 2020/174752 2 卩（：171? 2019 /043012
レ—ザダイオ—ドアレイから前記回折格子 に向けて順に、 前記予め定めた方 向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ素子と、 前記予め定めた方向にのみ 正のパワーを有する第 2レンズ素子とを含む。
［0006］ また本開示に係るレーザ加工装置は、 上記光共振器と、 前記光共振器から 出力された光ビームを被加工物に向けて照射 する加工へッ ドとを備える。 発明の効果
［0007］ 本開示に係る光共振器によると、 粗いピッチの回折格子を使用した場合で も装置の小型化が図られる。
図面の簡単な説明
［0008］ ［図 1］ （ ） 実施形態 1 に係る光共振器の概略構成を示す構成図、 および （巳 ） 回折格子の断面図
［図 2］実施形態 1 に係る光共振器の具体的構成の一例を示す構 成図
［図 3］光源ユニッ トの一例を示す斜視図
［図 4］光源ユニッ トの一例を示す部分側面図
［図 5］ファースト軸コリメータの一例を示す斜 図
［図 6］ファースト軸コリメータの一例を示す断 図
［図 7］ビームツイスタの一例を示す斜視図
［図 8］ビームツイスタの入射面
［図 9］ビームツイスタの出射面
［図 10］ビームツイスタの機能を示す斜視図
［図 1 1］ （八） 波長 9 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用 した光共振器の一例を示す構成図、 （巳） 波長 4 0 0 n m帯で格子本数 = 2 2 2 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を す構成図、 および （〇 ） 波長 4 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振 器の一例を示す構成図
の場合における△ス /△ «の格子本数特性を示す グラフ
［図 13］本開示に係るレーザ加工装置の一例を示 ブロック図 〇 2020/174752 3 卩（：171? 2019 /043012
発明を実施するための形態
[0009] 以下、 適宜図面を参照しながら、 実施の形態を詳細に説明する。 但し、 必 要以上に詳細な説明は省略する場合がある。 例えば、 既によく知られた事項 の詳細説明、 あるいは実質的に同一の構成に対する重複説 明を省略する場合 がある。 これは、 以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、 当業者の理解 を容易にするためである。
[0010] なお、 出願人は、 当業者が本開示を十分に理解するために添付 図面および 以下の説明を提供するのであって、 これらによって特許請求の範囲に記載の 主題を限定することを意図するものでない。
[001 1 ] （実施形態 1）
以下、 図 1〜図 1 2を用いて本開示の実施形態 1 を説明する。
[0012] [ 1 — 1 . 構成]
図 1 （ ） は、 実施形態 1 に係る光共振器 1の概略構成を示す構成図であ る。 図 1 （巳） は、 回折格子の断面図である。
[0013] 光共振器 1は、 光軸方向に沿って、 レーザダイオードアレイ 1 1 と、 光学 系 3 0と、 回折格子 4 0と、 出カカブラ 6 0などを備える。 ここでは理解を 容易にするため、 レーザダイオードアレイ 1 1からの光ビームの進行方向を 方向、 方向に垂直かつ紙面と平行な方向を X方向、 方向に垂直かつ紙 面と垂直な方向を丫方向に設定している。
[0014] レーザダイオードアレイ 1 1は、 例えば、 ダイレクトダイオードレーザ （
0 0 !_） で構成でき、 予め定めた方向、 例えば、 図 1 （八） の X方向に沿っ て配列された複数のレーザ素子 1 1 3を有する。 レーザダイオードアレイ 1 1の後側端面には、 例えば、 反射率 9 9 . 9 %以上の高反射率コーティング が施される。 レーザダイオードアレイ 1 1の前側端面には、 例えば、 透過率 9 9 . 9 %以上の反射防止コーティングが施される。 なお図 1 （八） では、
3つのレーザ素子 1 1 3を例示するが、 2つまたは 4つ以上のレーザ素子 1 1 3でも構わない。 各レーザ素子 1 1 3は、 光共振によって互いに異なる波 長の光ビームを放出する。 〇 2020/174752 4 卩（：171? 2019 /043012
[0015] 光学系 3 0は、 レーザダイオードアレイ 1 1 と回折格子 4 0との間に設け られ、 レーザダイオードアレイ 1 1から回折格子 4 0に向けて順に、 X方向 にのみ負のパワーを有する第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 と、 X方向に のみ正のパワーを有する第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。 光学 系 3 0は、 各レーザ素子 1 1 3から放出される各光ビームを X方向に互いに 整列させてコリメートする機能を有する。 光学系 3 0の焦点位置は、 レーザ 素子 1 1 3の光出射面近傍に設定してもよい。 なお、 「コリメート」 とは、 単一の光ビームを平行または実質的に平行な ビームに変換すること、 複数の 光ビームの各主光線を互いに平行または実質 的に平行に変換すること等を意 味する用語である。
[0016] 回折格子 4 0は、 各レーザ素子 1 1 3から放出される光ビームを、 その波 長に応じた回折角で回折させる。 ここでは、 回折格子 4 0として、 光ビーム を入射側に反射する反射型の回折格子を例示 しているが、 光ビームを通過し て入射側とは反対側に出射する透過型の回折 格子も同様に使用できる。
[0017] 回折格子 4 0は、 図 1 （巳） に示すように、 ピッチ を有する周期構造を 有し、 その断面は矩形波形状でもよく、 その他に三角波形状、 鋸歯形状など でもよい。 一般に、 回折格子の法線に対する入射角《および回折 角/ 3、 回折 次数 、 格子本数 （= 1 /ピッチ ） 、 光の波長スを用いて、 回折条件 3 | n a— 5 I スが成立する方向に回折光が出射される。 ここで、 入射角《及び回折角/ 3の符号は、 光線から回折格子の法線に向かって時計回 りを正とする。 ただし、 反射型回折格子の回折角/ 3は、 光線から回折格子の 法線に向かって反時計回りを正とする。
[0018] 出カカブラ 6 0は、 例えば、 反射率 2 %の部分反射ミラーで構成でき、 回 折格子 4 0によって回折した光ビームの一部を反射し 、 各レーザ素子 1 1 3に戻す。 これによりレーザ発振用のフイードバック光 が供給され、 レーザ ダイオードアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振を生じさ せることが可能になる。 出カカブラ 6 0を通過した光ビームは、 後段のプロ セス、 例えば、 レーザ加工などに利用される。 [0019] 本開示に係る波長合成型の光共振器では、 回折格子 40への入射角 aは各 光ビームの波長に応じて相違するが、 回折格子 40での回折角/ Sは各光ビー ムで一致するように回折条件が設定される。 これにより波長が異なる複数の 光ビームを同じ方向に合成することが可能に なる。 そのためレーザダイオー ドアレイ 1 1の各レーザ素子 1 1 aでの最大光出力を加算できるため、 高い 出力の光ビームを実現できる。
[0020] 図 2は、 実施形態 1 に係る光共振器 1の具体的構成の一例を示す構成図で ある。 光共振器 1は、 光軸方向に沿って、 図 1のレーザダイオードアレイ 1 1 を含む光源ユニッ ト 1 0と、 スロー軸コリメータ (SAC: slow axis col Limat〇 r )2 1 と、 1 / 2波長板 70と、 図 1の光学系 30と、 図 1の回折格 子 40と、 テレスコープ光学系 50と、 図 1の出カカブラ 60などを備える 。 ここでは理解を容易にするため、 回折格子 40が透過型である場合を例示 するが、 反射型の回折格子でも構わない。
[0021] 図 3は、 光源ユニッ ト 1 0の一例を示す斜視図である。 図 4は、 光源ユニ ッ ト 1 0の一例を示す部分側面図である。 光源ユニッ ト 1 0は、 前述したレ —ザダイオードアレイ 1 1 と、 ファースト軸コリメータ (FAC: fast axis co U imator) 1 2と、 ビームツイスタ (BT: beam twister) 1 3などを備え る。
[0022] レーザダイオードアレイ 1 1は、 下部ブロック 9 1の上にサブマウント 9
2を介して搭載される。 レーザダイオードアレイ 1 1の上方には、 上部ブロ ック 93が戴置される。 下部ブロック 9 1および上部ブロック 93は、 レー ザダイオードアレイ 1 1 に電流を供給するための電極として、 またレーザダ イオードアレイ 1 1から発生する熱を散逸させるヒートシンク しても機能 する。 上部ブロック 93には、 ファースト軸コリメータ 1 2およびビームツ イスタ 1 3を保持するホルダ 94が固定される。
[0023] 図 5は、 ファースト軸コリメータ 1 2の一例を示す斜視図である。 図 6は 、 ファースト軸コリメータ 1 2の一例を示す断面図である。 ファースト軸コ リメータ 1 2は、 例えば、 断面形状が平凸であり、 X方向に母線を有するシ 〇 2020/174752 6 卩（：171? 2019 /043012
リンドリカルレンズで構成される。
[0024] レーザダイオードアレイ 1 1内の各レーザ素子 1 1 3から出射される光ビ —ムは、 一般に、 X方向の発散角㊀ Xは比較的小さく、 丫方向の発散角㊀ソ は比較的大きい （㊀ ＜＜㊀ソ） 。 このことから光ビームの主光線を中心と して発散角が小さい方向をスロー方向と称さ れ、 発散角が大きい方向をファ —スト方向と称される。 ファースト軸コリメータ 1 2は、 丫方向にのみ光学 パヮーを有し、 光ビームをファースト方向についてコリメー トする機能を有 する。
[0025] 図 7は、 ビームツイスタ 1 3の一例を示す斜視図である。 図 8は、 ビーム ツイスタ 1 3の入射面を示す。 図 9は、 ビームツイスタ 1 3の出射面を示す 。 図 1 0は、 ビームツイスタ 1 3の機能を示す斜視図である。
[0026] ビームツイスタ 1 3は、 両面が凸形状である複数のシリンドリカルレ ンズ
1 3 3を予め定めた角度、 例えば、 4 5度だけ傾けて重ねて、 乂 面に対し て平行に切断したロッ ド状の光学素子である。 シリンドリカルレンズ 1 3 3 のX方向ピッチは、 レーザダイオードアレイ 1 1内の各レーザ素子 1 1 3の 配列ピッチと一致する。
[0027] 図 8に示すように、 各レーザ素子 1 1 3から出射される光ビームは、 ファ —スト軸コリメータ 1 2によってファースト方向のみコリメートさ るため 、 ビームツイスタ 1 3の入射面では横長ビーム形状になる。
[0028] 各シリンドリカルレンズ 1 3 3は、 入射面に入射した光ビームを主光線周 りに 9 0度回転させ、 出射面から出射させる。 光ビームの形状は、 図 9に示 すように、 ビームツイスタ 1 3の出射面では縦長ビーム形状になる。
[0029] こうして各シリンドリカルレンズ 1 3 3は、 光ビームのファースト方向と スロー方向を入れ替える機能を有する。 従って、 ビームツイスタ 1 3から光 源側では、 光ビームのファースト方向は丫方向になり、 スロー方向はX方向 になる。 一方、 ビームツイスタ 1 3から回折格子側では、 光ビームのファー スト方向はX方向になり、 スロー方向は丫方向になる。 なお、 光ビームのフ ァースト方向はファースト軸コリメータ 1 2によって既にコリメートされて 〇 2020/174752 7 卩（：171? 2019 /043012
いるが、 スロー方向は拡がっている。 なお、 本具体構成のようにファースト 軸コリメータ 1 2及びビームツイスタ 1 3を配置する場合は、 光学系 3 0の 焦点位置はビームツイスタ 1 3の出射面近傍に設定される。
[0030] 図 2に戻って、 スロー軸コリメータ 2 1は、 光源ユニッ ト 1 0内のビーム ツイスタ 1 3から出射した各光ビームをスロー方向にコ メートする。 スロ —軸コリメータ 2 1は、 例えば、 図 5と同様な形状を有してもよく、 断面形 状が平凸であり、 X方向に母線を有するシリンドリカルレンズ 構成される
[0031 ] 1 / 2波長板 7 0は、 光ビームの偏光を 9 0度回転させる機能を有し、 例 えば、 光ビームが X方向に平行な直線偏光である場合は、 丫方向に平行な直 線偏光に変換する。
[0032] 図 1 に示したように、 光学系 3 0は、 負パワーの第 1シリンドリカルレン ズ素子 3 1 と、 正パワーの第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。
[0033] 回折格子 4 0は、 各光ビームを、 その波長に応じた回折角で回折させる。
[0034] テレスコープ光学系 5 0は、 紙面平行方向に正パワーを有するシリンドリ カルレンズ素子 5 1 , 5 2と、 紙面平行方向に負パワーを有するシリンドリ カルレンズ素子 5 3とを含む。 テレスコープ光学系 5 0は、 出カカブラ 6 0 から反射した光ビームを拡大し、 光軸に対する光ビームの主光線の角度を減 少させることによって、 出カカブラ 6 0のファースト方向に沿った角度誤差 感度を低減する機能を有する。
[0035] 出カカブラ 6 0は、 図 1 に示したように、 光ビームの一部を反射して、 レ —ザ発振用のフィードバック光を供給する。
[0036] [ 1 - 2 . 動作]
次に本実施形態に係る光共振器 1の動作について説明する。 以下では一例 として、 レーザダイオードアレイ 1 1 に 3つのレーザ素子 1 1 3が形成され る場合を説明する。
[0037] 図 1 （八） に示すように、 各レーザ素子 1 1 3は、 X方向に予め定めたピ ッチで配列される。 中央に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビー 〇 2020/174752 8 卩（：171? 2019 /043012
ムは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 2で入射する場合に、 レーザダ イオードアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 このとき回折条件を満たす共振波長はス 2となる。
[0038] +乂側に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビームは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 1 （＜« 2） で入射する場合に、 レーザダイオ —ドアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 この とき回折条件を満たす共振波長はス 1 «ス 2） となる。
[0039] —X側に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビームは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 3 （＞« 2） で入射する場合に、 レーザダイオ —ドアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 この とき回折条件を満たす共振波長はス 3 0 X 2） となる。
[0040] 従って、 複数の波長ス 1 , ス 2 , ス 3を有する各光ビームは、 別個の回折 条件を満たすことによって、 同じ方向に合成することが可能になり、 高い出 力の光ビームを実現できる。 4つ以上の光ビームについても同様に、 別個の 回折条件を満たすことによって、 同じ方向に合成することが可能になる。
[0041 ] 次に、 共振波長を変更した場合、 光共振器の設計はどのように変更される かについて説明する。 光共振器の仕様として、 レーザ素子 1 1 3 のピッチ （ △ X） とそれに対応する波長変化 （△ス） の割合△ス /八父を一定とした場 合の 3つの設計例を示す。 図 1 1 （ ） は、 波長 9 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を す構成図である。 図 1 1 （巳） は、 波長 4 0 0 n m帯で格子本数 = 2 2 2 0本の回折格子を採 用した光共振器の一例を示す構成図である。 図 1 1 （〇） は、 波長 4 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を す 構成図である。 なお、 「波長 4 0 0 1^ 111帯」 は、
波長を意味する。 「波長 9 0 0 〇!帯」 は、
を意味する。
[0042] 図 1 1 （八） に示す光共振器は、 波長 9 0 0 n 帯の光ビームを発生する 光源ユニッ ト 1 1 0と、 スロー軸コリメータ 1 2 1 と、 1 / 2波長板 1 7 0 〇 2020/174752 9 卩（：171? 2019 /043012
と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシリ ドリカルレンズ 1 30と 、 格子本数 = 1 600本の回折格子 1 40と、 シリンドリカルレンズ素子 1 5 1 , 1 52, 1 53を含むテレスコープ光学系 1 50と、 出カカブラ 1 60などを備える。 光源ユニッ ト 1 1 0は、 前述したように、 レーザダイオ —ドアレイ、 ファースト軸コリメータ、 ビームツイスタなどを備える。 △ス /△父は、 4X 1 〇- 7 に設定されている。 この場合、 光源ユニッ ト 1 1 0か ら回折格子 1 40までの寸法は約 1 になる。
[0043] 図 1 1 （巳） に示す光共振器は、 図 1 1 （八） の例よりも短い波長 400 帯の光ビームを発生する光源ユニッ ト 2 1 0と、 スロー軸コリメータ 2 2 1 と、 1 /2波長板 270と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシ リンドリカルレンズ 230と、 格子本数 N = 2220本の回折格子 240と 、 シリンドリカルレンズ素子 25 1 , 252, 253を含むテレスコープ光 学系 250と、 出カカブラ 260などを備える。 光源ユニッ ト 2 1 0は、 前 述したように、 レーザダイオードアレイ、 ファースト軸コリメータ、 ビーム ツイスタなどを備える。 この場合も、 △ス /△父は、 4X 1 0- 7 に設定され 、 光源ユニッ ト 2 1 0から回折格子 240までの寸法は約 1 になる。 しか しながら、 回折格子 240の格子本数は N = 2220本となり、 これは現時 点の技術では製造が極めて困難であり、 歩留りが極めて低くなり、 コストが 著しく増加してしまう。
[0044] 図 1 1 （〇 に示す光共振器は、 図 1 1 （巳） の例と同じ波長 400 n m 帯の光ビームを発生する光源ユニッ ト 3 1 0と、 スロー軸コリメータ 32 1 と、 1 /2波長板 370と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシリ ドリカルレンズ 330と、 図 1 1 （八） の例と同じ格子本数 N= 1 600本 の回折格子 340と、 シリンドリカルレンズ素子 35 1 , 352, 353を 含むテレスコープ光学系 350と、 出カカブラ 360などを備える。 光源ユ ニッ ト 1 1 0は、 前述したように、 レーザダイオードアレイ、 ファースト軸 コリメータ、 ビームツイスタなどを備える。 図 1 1 （八） 、 図 1 1 （巳） と 同様、 △ス /八父は、 4 X 1 0_ 7 に設定されている。 この場合、 光源ユニッ 〇 2020/174752 10 卩（：171? 2019 /043012
卜 3 1 0から回折格子 3 4 0までの寸法は約 1 . になる。 即ち、 回折格 子の格子本数 1\1を変更しないで共振波長を小さく した場合、 所定の△ス /△ Xを満たすには、 光源ユニッ ト 3 1 0から回折格子 3 4 0までの距離を大き くする必要がある。 そのため光共振器の大型化が避けられない。
[0045] 次に、 回折格子のピッチと装置サイズの関係につい て説明する。 レーザ素 子 1 1 3のピッチ八父、 シリンドリカルレンズ 2 3 0の焦点距離干、 レーザ 素子 1 1 8の位置に対応した回折格子 1 4 0への入射角《の変化△«につい て、 下記の式 （八 1） が成立する。
△父二干 t a 〇 （△〇〇 == ^ A a （八 1）
[0046] 回折角/ 3が一定である場合の角分散の逆数、 即ち、 入射角《に対する波長 スの変化については、 回折次数 、 格子本数 （= 1 /ピッチ ） を用いて 、 下記の式 （八 2） が成立する。
[0047] これらの式 （八 1） 、 式 （八2） より、 下記の式 （八 3） が成立する。
△ス /△<¾ 干△ス /八父
△ス /△% （ 1 /†） △¾ /△<¾ （八3）
[0048] 図 1 2は、 回折格子が《 = _ /3を満たす場合の△ス /△«の格子本数特性 を示すグラフである。 上記条件は一般的に回折効率の高い回折格子 が実現し やすい条件として知られており、 本実施の形態においてもこの条件近傍で回 折格子を設計している。
[0049] このグラフより、 格子本数が小さくなると、 △ス /△«が増大する。 よつ て、 △ス /八父を一定に保とうとする場合、 式 （八3） より格子本数が小さ くなるほど、 焦点距離干は長くなる。 即ち、 粗いピッチの回折格子を使うと 、 焦点距離チが長くなり、 共振器サイズ、 例えば、 レーザダイオードアレイ 1 1からシリンドリカルレンズ 2 3 0までの距離は大きくなることが判る。
[0050] この解決策として、 本実施形態に係る光共振器によれば、 図 1 と図 2に示 すように、 各光ビームを X方向に互いに整列させる光学系 3 0は、 X方向に のみ負のパワーを有する第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 と、 X方向にの 〇 2020/174752 1 1 卩（：171? 2019 /043012
み正のパワーを有する第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。 これに より光学系 3 0のサイズを小さく しつつ、 焦点距離を増加させることが可能 になる。 例えば、 光学系 3 0の焦点距離は、 光学系 3 0から光源ユニッ ト 1 0までの実際の距離よりも大きくなるように 定可能である。 そのため、 図 1 1 （〇） に示す光共振器と等価な光共振器を小型サイ ズで実現できる。 例 えば、 図 1 1 （〇 と同様に、 波長 4 0 0 n 帯の光ビームに対して格子本 数 = 1 6 0 0本の回折格子 1 4 0を使用した場合でも、 光源ユニッ ト 3 1 0から回折格子 3 4 0までの寸法は図 1 1 （3） と同等な寸法に抑制できる
[0051 ] [ 1 - 3 . 効果等]
本実施形態は、 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長 合成型の光共 振器 1 に関する。 光共振器 1は、 予め定めた X方向に沿って配列され、 互い に異なる波長の光ビームを放出する複数のレ ーザ素子 1 1 3 を有するレーザ ダイオードアレイ 1 1 を備える。 光共振器 1はさらに、 各レーザ素子 1 1 3 から放出される光ビームを、 その波長に応じた回折角で回折させる回折格 子 4 0を備える。 光共振器 1はさらに、 回折格子 4 0によって回折した光ビー ムの一部を反射して、 各レーザ素子 1 1 3に戻す出カカブラ 6 0を備える。 光共振器 1はさらに、 レーザダイオードアレイ 1 1 と回折格子 4 0との間に 設けられ、 各レーザ素子 1 1 3から放出される各光ビームを互いに整列さ る光学系 3 0を備える。 光学系 3 0は、 レーザダイオードアレイ 1 1から回 折格子 4 0に向けて順に、 予め定めた X方向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ素子 3 1 と、 予め定めた X方向にのみ正のパワーを有する第 2レンズ 素子 3 2とを含む。
[0052] 以上の構成によると、 光学系 3 0の焦点距離を増加させることが可能にな り、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装 置の小型化が図られる。 ま た、 装置を大型化せずに、 回折格子のピッチを粗くすることも可能にな り、 光共振器 1の設計自由度を増加できる。
[0053] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 光学系 3 0は、 レーザダイオード 〇 2020/174752 12 卩（：171? 2019 /043012
アレイ 1 1 と第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2との間の距離よりも長い焦 点距離干を有してもよい。
[0054] これにより、 光共振器 1の小型化が図られる。
[0055] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 レーザダイオードアレイ 1 1から 回折格子 4 0に向けて順に、 各レーザ素子 1 1 3から放出された各光ビーム をファースト方向にコリメートするファース ト軸コリメータ 1 2と、 ファー スト軸コリメータ 1 2から出射した各光ビームを主光線周りに 9 0度回転さ せるビームツイスタ 1 3と、 ビームツイスタ 1 3から出射した各光ビームを スロー方向にコリメートするスロー軸コリメ ータ 2 1 とが設けられ、 前記光 学系の焦点位置を前記ビームツイスタ出射面 近傍としてもよい。
[0056] これにより、 高い品質を有する光ビームアレイを実現でき る。
[0057] （実施形態 2）
以下、 図 1 を用いて本開示の実施形態 2を説明する。
[0058] 本実施形態に係る光共振器は、 図 1 に示した光共振器 1 と同様な構成を有 する。 ここでは、 光学系 3 0の最適化について説明する。
[0059] 最初に、 入射角《の変化に対する共振波長スの変化 ス/〇1 «は、 下記の 式 （1） で表される。 ここで、 1\1は回折格子の格子本数 （ピッチ の逆数）
、 は回折次数である。
[0060] [数 1 ] （ 1）
[0061 ] 次に、 レーザ素子 1 1 3のピッチ Xに対する共振波長スの変化 ス/ 父は、 下記の式 （2） で表される。 ここで、 干は光学系 3 0の合成焦点距離 である。
[0062] 〇 2020/174752 13 卩（：171? 2019 /043012
数 2]
[0063] 光学系 3 0の望遠比 は、 下記の式 （3） で表される。 ここで、 口は正パ ワーの第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2の像側主平面から光学系物体側焦 点面 （レーザ素子 1 1 3の光出射面に対応） までの距離、 3は負パワーの第 1 シリンドリカルレンズ素子 3 1 の物体側主平面から正パワーの第 2シリン ドリカルレンズ素子 3 2の像側主平面までの距離、 干 1 は第 2シリンドリカ ルレンズ素子 3 2の焦点距離である。 なお、 図 1 と図 2の光学系 3 0では、 像側は + 側であり、 物体側は一 側である。
[0064] [数 3]
[0065] 光学系 3 0の合成焦点距離チは、 下記の式 （4） で表される。 チ 2は、 第
1 シリンドリカルレンズ素子 3 1 の焦点距離である。
[0066] [数 4]
[0067] 式 （2） , 式 （3） を用いて式 （4） を変形すると、 下記の式 （5） が得 られる。
[0068] [数 5]
[0069] —例として、 ス = 9 7〇门 111、 干 = 1 1 2 8 |11 111、 N = 1 6〇〇本、 〇1 X =〇. 2 2 5 を採用する。 回折格子の格子本数 !\!は、 現時点の技術に起 〇 2020/174752 14 卩（：171? 2019 /043012
因した製造限界の観点から、 N<4000本とする。 距離 0は、 理想的なサ イズ感の観点から、 口<1 500 とする。 ピッチ Xに対する共振波長 スの変化 ス / Xは、 現時点の製造技術の観点から、 ス/ 父<5 1 〇— 7 とする。
[0070] これらの数値を式 （5） に代入することにより、 下記の式 （6） が得られ る。
[0071] [数 6]
[0072] 本実施形態に係る光共振器は、 式 （6） を満たすことにより、 光学系 30 の最適化が図られる。 その結果、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも 装置の小型化が図られる。
[0073] 次に、 光共振器の具体的な設計例について説明する 。
（比較例 1）
図 1 1 （八） に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 1 1 0 :波長 900 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子の ピッチは △ス /八父= 4 X 1 〇- 7 となるよう設計。
スロー軸コリメータ 1 2 1 :入射面は平面。 出射面は丫軸方向にのみパワ 一を有する曲率半径 25. の凸面。 厚さは 材質は N 6 < 7。 シリンドリカルレンズ 1 30 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向にのみパ ワーを有する曲率半径 508. 1 5 の凸面。 厚さは 3 材質は 巳 < 7 0
シリンドリカルレンズ素子 1 5 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 207. の凸面。 出射面は平面。 厚さは 5 材質は 巳 < 7 0
シリンドリカルレンズ素子 1 52 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す 〇 2020/174752 15 卩（：171? 2019 /043012
る曲率半径 1 28. 3 1の凸面。 出射面は平面。 厚さは 4 。 材質は 巳
< 7 0
シリンドリカルレンズ素子 1 53 :入射面は平面。 出射面は X軸方向にの みパワーを有する曲率半径 5. 75 の凹面。 厚さは 4 材質は 巳
< 7 0
回折格子 1 40 : ピッチ 中央のレーザ素子か らの主光線の入射角 = 49. 81 8° 。 レーザ素子からの主光 線の入射角 =50. 047° 。 レーザ素子からの主光線の入射 角 = 49. 589° 。 主光線の回折角 = 49. 81 8° （レーザ素子の位置 によらず） 。
共振波長：中央のレーザ素子は 955 n 。 上側 4 のレーザ素子は 9 53. 下側 4〇!〇!のレーザ素子は 956. 611111。
出カカブラ 1 60 : ミラー材質は N 6 7。 入射面は、 部分反射コート （ 例えば、 反射率 2%、 透過率 98%） 。 出射面は八 コート （例えば、 1 0 〇%透過） 。
[0074] [距離]
光源ュニッ ト 1 1 0のビームツイスタ出射面〜スロー軸コリメ タ 1 2 1 入射面 = 46.
スロー軸コリメータ 1 2 1出射面〜シリンドリカルレンズ 1 30入射面 =
シリンドリカルレンズ素子 1 5 1出射面〜シリンドリカルレンズ素子 1 5 2入射面 = 0.
シリンドリカルレンズ素子 1 52出射面〜シリンドリカルレンズ素子 1 5 3入射面 = 1 28.
シリンドリカルレンズ素子 1 53出射面〜出カカブラ 1 60入射面 =23 〇 2020/174752 16 卩（：171? 2019 /043012
5. 9 1 〇!〇1〇
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるた め、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 00892度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 1 0から回折格子 1 40までの寸法は になる。
[0075] （実施例 1）
図 2に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 1 0 :波長 900 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子のピ ッチは 4〇1111。 △ス /△父= 4 1 0 _7 となるよう設計。
スロー軸コリメータ 2 1、 回折格子 40、 シリンドリカルレンズ素子 5 1 〜 53、 出カカブラ 60、 レーザ素子の共振波長は、 比較例 1 と同じ。 第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有 の凹面。 出射面は平面。 厚さは 4 。 材質
第 2シリンドリカルレンズ素子 32 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向に 材質
[0076] [距離]
スロー軸コリメータ 2 1出射面〜第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1入射 面 = 1 23. 2384〇1111 0
第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1出射面〜第 2シリンドリカルレンズ素 子 32入射面 =329. 23111111。
その他の距離は、 比較例 1 と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるた め、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに 0. 035度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 0から回折格子 40までの寸法は約 0
5〇1になる。 なお、 干 =+97〇. 86111111, 干 1 =404. 1 001111, 干 2=— 1 1 8. 02〇1111, 0 = 5 1 3. 0401111である。 〇 2020/174752 17 卩（：171? 2019 /043012
［0077］ （比較例 2）
図 1 1 （〇 に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 2 1 0 :波長 400 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子の ピッチは △ス /八父= 4 X 1 〇- 7 となるよう設計。
スロー軸コリメータ 22 1 :入射面は平面。 出射面は丫軸方向にのみパワ 一を有する曲率半径 26. の凸面。 厚さは 材質は N 6 < 7。 シリンドリカルレンズ 230 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向にのみパ ワーを有する曲率半径 785. 0 の凸面。 厚さは 3 材質は 巳
7〇
シリンドリカルレンズ素子 25 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 207. の凸面。 出射面は平面。 厚さは 5 材質は 巳 < 7 0
シリンドリカルレンズ素子 252 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 1 1 4. 7 の凸面。 出射面は平面。 厚さは 4 材質は 巳 < 7 0
シリンドリカルレンズ素子 253 :入射面は平面。 出射面は X軸方向にの みパワーを有する曲率半径 5. 75 の凹面。 厚さは 4 材質は 巳
< 7 0
回折格子 1 40 : ピッチ 中央のレーザ素子か らの主光線の入射角 = 1 8. 905° 。 レーザ素子からの主光 線の入射角 = 1 8. 905° 。 レーザ素子からの主光線の入射 角 = 1 9. 060° 。 主光線の回折角 = 1 8. 750° （レーザ素子の位置 によらず） 。
のレーザ素子は 4
出カカブラ 260 : ミラー材質は 巳［< 7。 入射面は、 部分反射コート （ 例えば、 反射率 2%、 透過率 98%） 。 出射面は八 コート （例えば、 1 0 〇%透過） 。 〇 2020/174752 18 卩（：171? 2019 /043012
[0078] [距離]
光源ユニッ ト 2 1 〇のビームツイスタ出射面〜スロー軸コリメ ータ 22 1 入射面 =46. 7 1 401111。
スロー軸コリメータ 22 1出射面〜シリンドリカルレンズ 230入射面 = 1 428. 6466〇1111 0
シリンドリカルレンズ 230出射面〜回折格子
シリンドリカルレンズ素子 25 1出射面〜シリンドリカルレンズ素子 25 2入射面 = 0.
シリンドリカルレンズ素子 252出射面〜シリンドリカルレンズ素子 25 3入射面 = 1 28.
シリンドリカルレンズ素子 253出射面〜出カカブラ 260入射面 =23 5. 9 1 〇!〇1〇
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるた め、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 006 1度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 1 0から回折格子 1 40までの寸法は 約 1. 5 になる。
[0079] （実施例 2）
図 2に示す光共振器を参照する。 ただし、 回折格子 40から出カカブラ 6 0は、 図 1 1 （巳） または図 1 1 （〇） を参照する。
光源ユニッ ト 1 0 :波長 400 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子のピ ッチは △ス /八父= 4 X 1 〇- 7 となるよう設計。
スロー軸コリメータ 2 1、 回折格子 40、 シリンドリカルレンズ素子 5 1 〜 53、 出カカブラ 60、 レーザ素子の共振波長は、 比較例 2と同じ。 第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有 する曲率半径 92. 504の凹面。 出射面は平面。 厚さは 5 。 材質は 巳 < 7 0 〇 2020/174752 19 卩（：171? 2019 /043012
第 2シリンドリカルレンズ素子 32 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向に 材質は
[0080] [距離]
スロー軸コリメータ 2 1出射面〜第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1入射 面 =2 1 9. 502
第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1出射面〜第 2シリンドリカルレンズ素 子 32入射面 =469. 42111111。
その他の距離は、 比較例 2と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるた め、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 0229度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 0から回折格子 40までの寸法は約 0 . 8〇1になる。 なお、 干 = 1 485. 09〇1111, 干 1 =582. 08〇1111, 干 2=— 1 74. 54〇1111, 0 = 750. 64〇1111である。
[0081] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 複数のレーザ素子 1 1 3は、 波長 4001-1111帯の光ビームを発生してもよい。
[0082] これにより、 波長 900 n 帯より短波長の光ビームを発生できる。
[0083] （実施形態 3）
以下、 図 1 3を用いて本開示の実施形態 3を説明する。 図 1 3は、 本開示 に係るレーザ加工装置の一例を示すブロック 図である。 レーザ加工装置 !_ IV! は、 実施形態 1〜 2で開示した光共振器 1 と、 光共振器 1から出力された光 ビームを伝送する伝送光学系 0と、 光ビームを被加工物 に向けて照射する 加エヘッ ド 1 ~ 1と、 被加工物 を保持し、 光ビームの集光スポッ トに対して 3 次元的に位置決めするためのテーブル丁巳な どを備える。 レーザ加工として 、 レーザ切断、 レーザ穿孔、 レーザ溶接、 レーザマーキング、 レーザアニー ルなどが実施できる。
[0084] 本実施形態に係るレーザ加工装置 !_ IV!は、 実施形態 1〜 2に係る光共振器
1 を採用することによって装置の小型化が図ら れる。 〇 2020/174752 20 卩（：171? 2019 /043012
[0085] （他の実施形態）
以上のように、 本出願において開示する技術の例示として、 実施形態 1〜 3を説明した。 しかしながら、 本開示における技術は、 これに限定されず、 適宜、 変更、 置換、 付加、 省略などを行った実施の形態にも適用可能で ある 。 また、 上記各実施形態で説明した各構成要素を組み 合わせて、 新たな実施 の形態とすることも可能である。 そこで、 以下、 他の実施形態を例示する。
[0086] 上記の各実施形態では、 コリメータ、 レンズ、 レンズ素子として、 単レン ズを例示したが、 複数のレンズを組み合わせたレンズ群または 複合レンズを 使用してもよい。
[0087] 以上のように、 本開示における技術の開示として、 実施の形態を説明した 。 そのために添付図面および詳細な説明を提供 した。
[0088] したがって、 添付図面および詳細な説明に記載された構成 要素の中には、 課題解決のために必須な構成要素だけでなく 、 上記技術を例示するために、 課題解決のためには必須でない構成要素も含 まれ得る。 そのため、 それらの 必須ではない構成要素が添付図面または詳細 な説明に記載されていることを もって、 直ちに、 それらの必須ではない構成要素が必須でると の認定をする べきでない。
[0089] また、 上述の実施の形態は、 本開示における技術を例示するためのもので あるから、 特許請求の範囲またはその均等の範囲におい て、 種々の変更、 置 換、 付加、 省略などを行うことができる。
産業上の利用可能性
[0090] 本開示は、 光ビームを発生する光源等において適用可能 である。 特に本開 示は、 例えば、 レーザ切断、 レーザ穿孔、 レーザ溶接、 レーザマーキング、 レーザアニールなどのレーザ加工等において 適用可能である。