半导体激光振荡器的制作方法

本发明涉及一种射出激光的半导体激光振荡器。

背景技术：

以往，半导体激光振荡器多用于激发固体激光和光纤激光的目的，随着高亮度化的实现，直接用于加工的直接二极管激光(ddl)的加工机越来越普及。作为ddl振荡器，有使用多个高输出的单发射器的激光二极管的振荡器。这种ddl振荡器射出锁定为多个波长并与波长光束结合的激光。

由单发射器的激光二极管构成的ddl振荡器中，通常将多个激光二极管分为多个组，并控制成流经每个组的电流值相同。在一个组中，例如串联连接有30～40个激光二极管。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-174720号公报

技术实现要素：

在ddl振荡器中，通过结合光谱光束达到高输出、高亮度的目的。为实现多个波长的激光的光谱光束结合，需要将各波长的光谱设为窄带。为此，ddl振荡器借助外部共振器将激光锁定为多个期望的波长。

此时，波长锁定效率越高，越能有效地进行光谱光束结合，从而可以得到高效的激光输出。为了提高波长锁定效率，需要选定进行接近各锁定波长的振荡的最佳激光二极管材料。然而，制作激光二极管时，使所有锁定波长材料各异是不现实的。

因此，通常对各锁定波长分配由多种材料制成的激光二极管，以使波长锁定效率至少在高输出时高。

激光二极管所具有的特性是，随着温度上升1℃，射出的激光的波长向长波长侧移动0.25～0.3nm左右。从而，若增加激光二极管的输出，则发热量增加、温度上升，因此射出的激光的波长向长波长侧移动。从而，依照高输出时调整波长的材料所存在的问题是，波长锁定效率即使在高输出时高，但低输出时波长会向低波长侧移动，因此有时难以维持高的波长锁定效率。

激光输出相对于未进行波长锁定的通常的激光二极管的输入电流成线性。但是，越为激光二极管注入高电流而实现高输出化，与低输出时的温度差就变得越大，波长移动量也随之变大，因而存在着波长锁定时低输出时的效率变低的倾向。由于这个原因，激光输出相对于ddl振荡器的各个组的激光二极管的输入电流的关系不会成线性，而是具有在低输出时呈下凸曲线状的特性。

波长锁定效率低、在锁定波长之外的波长振荡的激光，偏离原来的光轴，从而增加应射出的激光的损耗。于是，该损耗引发半导体激光振荡器内部的发热和传输光纤入射部的局部发热。因而，无法最大限地发挥半导体激光振荡器的性能。

本实施方式的目的在于提供一种在通过波长锁定而进行光谱光束结合的半导体激光振荡器中，即使在低输出时也能维持高效率的波长锁定的半导体激光振荡器。

根据本实施方式的一方式，提供一种半导体激光振荡器，其特征在于，包括由多个组并联连接而构成二极管单元，其中，由串联连接的多个激光二极管构成一个组，所述半导体激光振荡器还具备：控制部，其与波长锁定效率的特性对应地分别控制向所述多个组中的每个组的激光二极管的输入电流，并且将所述二极管单元整体的输出控制为被要求的输出。

根据本实施方式的半导体激光振荡器，在通过波长锁定而进行光谱光束结合的半导体激光振荡器中，即使在低输出时也能维持高效率的波长锁定。

附图说明

图1是表示具备一实施方式的半导体激光振荡器的激光加工机的整体结构的立体图。

图2是表示一实施方式的半导体激光振荡器的框图。

图3是表示图2中的ddl单元的具体结构的概念图。

图4是用于说明设定于图2中的ddl单元的组的说明图。

图5是用于说明波长锁定效率的特性因激光波长的差异而不同的图。

图6是表示一般的输入电流与激光功率的关系的ddl的特性图。

图7是表示一实施方式中与指令输出值对应的向各组的输入电流、激光输出以及ddl单元输出(组合计激光输出)的关系的特性图。

具体实施方式

以下，参照附图说明一实施方式的半导体激光振荡器。首先，说明具备一实施方式的半导体激光振荡器的激光加工机的整体结构和动作。

图1所示的激光加工机100以通过激光对被加工材料进行切割加工的激光切割加工机为例。激光加工机也可以是通过激光对被加工材料进行焊接加工的激光焊接加工机、通过激光对被加工材料的表面进行改质的表面改质装置、通过激光对被加工材料进行标记的标记装置。

激光加工机100具备：生成并射出激光lb的激光振荡器11、激光加工单元15、向激光加工单元15传输激光lb的处理光纤12。

例如，激光振荡器11是ddl振荡器。以下，称ddl振荡器11。ddl振荡器11的具体结构和动作，将在后面详述。激光振荡器11只要具有波长锁定机构即可，不限于ddl振荡器。

沿配置于激光加工单元15的x轴和y轴的缆线槽(cableduct)(未图示)而安装处理光纤(processfiber)12。

激光加工单元15具有：用于放置被加工材料w的加工台21、在加工台21上在x轴方向上自由移动的门字形x轴滑架(carriage)22、以及在x轴滑架22上垂直于x轴的y轴方向上自由移动的y轴滑架23。此外，激光加工单元15具有固定于y轴滑架23的准直单元29。

准直单元29具有准直透镜28和弯曲镜(bendmirror)25，其中，所述准直透镜28使从处理光纤12的输出端射出的激光lb成为大致平行光束，所述弯曲镜25使转换成大致平行光束的激光lb向与x轴和y轴垂直的z轴方向下方反射。此外，准直单元29具有聚光透镜27和加工头26，其中，所述聚光透镜27使被弯曲镜25反射的激光lb会聚。

准直透镜28、弯曲镜25、聚光透镜27、加工头26在预先调整了光轴的状态下固定于准直单元29内。为了校正焦点位置，准直透镜28也可以在x轴方向上移动。

准直单元29固定于在y轴方向上自由移动的y轴滑架23上，y轴滑架23设置于在x轴方向上自由移动的x轴滑架22上。从而，激光加工单元15可以使将从加工头26射出的激光lb照射至被加工材料w的位置在x轴方向和y轴方向上移动。

根据上述结构，在激光加工机100中，通过处理光纤12向激光加工单元15传输从ddl振荡器11射出的激光lb，在高能量密度的状态下照射至被加工材料w，对被加工材料w进行切割加工。

此外，对被加工材料w进行切割加工时，向被加工材料w喷射用于去除熔融物的辅助气体。图1中，省略了喷着辅助气体的结构的图示。

接着，利用图2至图4说明ddl振荡器11的具体结构和动作。如图2所示，ddl振荡器11具有：ddl单元11u1～11un这n个ddl单元、和对从ddl单元11u1～11un中的各单元射出的激光进行空间光束结合的组合器(combiner)112。ddl单元11u1～11un为二极管单元的一示例。

此外，ddl振荡器11具有电力供给部113和控制部114，其中，所述电力供给部113向ddl单元11u1～11un提供电力，所述控制部114对ddl振荡器11进行控制。电力供给部113可以由电力供给电路构成。控制部114可以由微处理器或微型计算机构成。

此处，将未确定ddl单元11u1～11un中某一个的ddl单元称作ddl单元11u。ddl单元11u的个数n为1以上，根据要射出的激光lb所需要的输出适当设定即可。此外，当ddl单元11u为1个时，不需要组合器。

具体如图3所示地构成ddl单元11u。ddl单元11u具有激光二极管模块um1～umn这n个激光二极管模块。

将未确定激光二极管模块um1～umn中某一个的激光二极管模块称作激光二极管模块um。激光二极管模块um的个数n也适当设定即可。

各激光二极管模块um由多个激光二极管串联连接而构成。例如，激光二极管的个数是14个。通过激光二极管模块um锁定的激光的波长不同。

在激光二极管模块um1～umn中，各激光二极管被空间结合于光纤uf1～ufn一方的端部。在各激光二极管的与射出激光的一侧相反的一侧的端面形成有高反射镜。光纤uf1～ufn的另一侧端部为光纤阵列u11。

光纤uf1～ufn的前端部为在与激光的射出方向正交的方向上排成一列的光纤列。例如，从光纤列的前端部的几毫米至十几毫米的范围例如被树脂圆柱状地覆盖而构成光纤阵列u11。

由激光二极管模块um1～umn射出的激光从光纤阵列u11射出后，通过准直透镜u12被平行光化而成为大致平行光束。从准直透镜u12射出的各个激光以互不相同的角度入射至光栅(grating)u13后方向弯曲，经由部分反射镜u14而射出。

此时，向光栅u13的入射角度取决于激光入射准直透镜u12的位置的差异。

激光的一部分被部分反射镜u14反射后返回至激光二极管模块um的各激光二极管，被高反射镜反射后重新入射至部分反射镜u14。

这样，激光在激光二极管模块um内部的高反射镜和部分反射镜u14之间谐振。ddl单元11u构成外部谐振器。高反射镜和部分反射镜u14构成外部谐振器镜。

ddl单元11u通过外部谐振器和光栅u13对激光进行波长锁定。光栅u13除了波长锁定的功能外，还具有光谱光束结合的功能。

通过上述结构和动作，从ddl单元11u输出锁定于多个波长的、具有如图那样的波长光谱sp1的激光。

在ddl单元11u中，设定有并联连接的多个组(bank)。图4示出了设定于ddl单元11u的组的结构例。在本实施方式中，设为ddl单元11u中设定有2个组。组的数量也可以是3个以上。

如图4所示，各个组中串联连接有多个激光二极管模块um。图4中，串联连接有2个激光二极管模块um，但也可以串联连接3个激光二极管模块um。

串联连接的激光二极管的数量为易于电压控制的、例如成为50～75v的电压的数量为佳。各个组由电力供给部113供给50～75v的电压，流经0～12a的电流。

图4所示的组1、2中，ddl单元11u输出锁定为波长λ1～λ4各个波长的激光。此外，图2中的ddl单元11u1～11un作为整体输出例如波长910nm～950nm的激光。

此处，利用图5说明波长锁定效率的特性因激光的波长的差异而不同。如图5所示，在λ1、λ2中，在输入电流为0～12a的几乎所有输出区域波长锁定效率高。另一方面，在λ3、λ4中，在输入电流为0～4a左右的低输出区域波长锁定效率低。

当向由具有图5所示波长锁定效率的特性的激光二极管模块um构成的ddl单元11u提供0～12a的电流时，激光输出相对于输入电流具有图6所示特性。在图6中，一点锁线表示输出锁定为波长λ1、λ2的波长的激光的组1中与输入电流对应的激光输出特性，虚线表示输出锁定为波长λ3、λ4的波长的激光的组2中与输入电流对应的激光输出特性，实线表示ddl单元11u(组1、组2的合计)的输出特性。

理想地，输入电流与激光功率的关系，如二点锁线所示，为线性。然而，当结合一点锁线所示的特性和虚线所示的特性时，如实线所示，作为ddl单元11u整体的特性成为下凸曲线状。

因此，在本实施方式中，如图7所示对组1、2进行控制。如上所述，向组1分配低输出至高输出为止波长锁定效率高的波长λ1、λ2，向组2分配低输出时波长锁定效率低的波长λ3、λ4。

如图7所示，控制部114对组1指令功率，以便如一点锁线所示那样从低输出至高输出为止输出激光功率。详细而言，指令功率值为0至400w左右为止，使输入电流线性增加后，暂时将输入电流设为0。指令功率值为400w左右之后，使输入电流从0线性增加至12a。

控制部114对组2指令功率，以便如虚线所示那样将低输出时输出的激光功率设为0，在中输出以上时输出激光功率。详细而言，指令功率值为0至400w左右为止将输入电流设为0。当指令功率值为400w左右时，使输入电流上升至6a左右，在此之后使输入电流线性增加至12a。

控制部114如图7所示那样对组1、2进行控制，从而能够在ddl单元11u整体中如实线所示那样输出，能够设为接近二点锁线所示的理想特性的特性。

如上所述，由于按组进行输入电流控制，因此将低输出时波长锁定效率变低的特性分配给同一组，并在中电流(中输出)以上时进行控制。控制部114与波长锁定效率的特性对应地分别控制向多个组中的各个组的激光二极管的输入电流。

为控制部114分别控制向多个组中的各个组的激光二极管的输入电流，以便使合成多个组中的各个组输出的激光的激光功率成为所要求的振荡器输出，且在振荡器的所有输出区域将波长锁定效率维持得高。

具体地，当多个组包括输入电流为0至预定值为止的低电流时的波长锁定效率为第一状态的第一组、以及波长锁定效率为低于第一状态的第二状态的第二组时，控制部114进行如下控制即可。

控制部114控制第二组的输出，以便在0至预定值时为止将ddl单元11u整体所要求的输出设为0。

根据本实施方式的半导体激光振荡器，可以改善振荡器输出为低输出时的波长锁定效率，同时还可以用于电-光转换效率高的区域，因而可以减少低输出时的电力浪费。

此外，根据本实施方式的半导体激光振荡器，可以防止受波长锁定效率下降引起的输出损失的影响的振荡器内部的发热、传输光纤的局部发热，可以使振荡器输出稳定，且防止光学部件的损坏。

本发明不限于以上说明的本实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以实施各种变更。

激光二极管，例如是单发射器的激光二极管。激光二极管也可以是将多个单发射器的激光二极管进行空间结合而得的激光二极管模块。

激光二极管也可以是二极管激光条。激光二极管也可以是将多个二极管激光条进行空间结合而得的激光二极管模块。此外，二极管激光条为发射器例如以500μm的间隔横向排列的芯片。

产业上的可利用性

本发明可以利用于射出激光的半导体激光振荡器。