激光装置的制作方法

本发明涉及一种在激光加工装置、激光照明装置等中使用的激光装置。

背景技术：

已知一种将从多个激光二极管(ld)获得的光束聚束在一起以获得高输出的激光装置。专利文献1所记载的激光装置是针对投影仪的装置，从透镜输出光束并将光束投影于空间。根据机械精度来配置激光二极管、透镜等光学部件。

在要使光束集中于微小光斑的情况下，需要更高亮度的光束。已知一种向光纤输入从多个激光二极管射出的光束并对光束进行整形来获得输出的方法。例如，在向芯径φ400μm的光纤输入光束来获得高输出的情况下，光学系统的调整不要求高的精度。

在要获得能够照射到更加微小的光斑的高亮度激光光束的情况下，在光量固定的条件下必须使光源面积减小。也就是说，在从光纤射出的激光中，如果利用芯径小的光纤，则能够获得高亮度激光束。此时，需要对激光二极管、透镜等光学部件的调整技术以将光束输入到芯径小的光纤。

在此，考虑向芯径小、例如φ50μm、φ100μm的光纤输入多个光束来获得高亮度且高输出光束的情况。此时，在以某种程度的精度进行了定位的情况下，难以将光束输入到光纤的芯。未被输入到芯而输入到包层的光束由于在包层中传输后被射出，光束的品质发生劣化，传输损耗增大。另外，也不被输入到包层的光束不在光纤中传输。由于这些影响，光束的品质、耦合效率发生劣化，损耗增大。

另外，在要获得高输出光束的情况下，使用以下方法：使从激光二极管射出的光束准直并会聚于芯以向一个光纤输入多个光束。作为该方法，将激光二极管和准直透镜组装成一个部件，对该部件的位置、朝向进行微调整，将光束导向芯。此时，能够在根据机械加工精度决定引导用光学元件相对于芯的位置并将其固定之后，对部件的位置进行调整来将光束输入到芯。

另外，在要获得高输出激光光束的情况下，激光二极管的散热是重要的。当激光二极管的温度上升时，光输出下降，寿命也下降。因此，对激光二极管的背面安装热传导率大的散热板以促进激光二极管的散热。

专利文献1：日本特开2013-196946号公报

专利文献2：日本特开2007-17925号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在对每个部件的位置、朝向进行调整的情况下，各材料的尺寸公差、几何公差、光纤、透镜的位置、角度的偏差、由焊接时的收缩引起的偏差等累积起来，因此各部件的背面(与光射出面相反的一侧)不与保持件(部件、聚光透镜、光纤的保持构件)和散热板的表面完全平行，倾向于稍微倾斜。

因此，由于各部件背面的倾斜而在部件背面与散热板之间产生间隙。因而，各部件与散热板之间的接触面积变小，热阻增加。

此外，在散热板和散热器的冷却能力充足的条件下，即使采用插入绝缘传热材料以减少热阻等应对方法，也由于一般的绝缘传热材料的热阻比金属的热阻大而无法使激光二极管充分散热。因此，当使激光二极管电流上升时，与热阻小时相比温度上升，导致获得规定的光输出所需的激光二极管电流增加。与热阻小时相比由于激光二极管电流的增加所引起的效率的下降变大，无法获得设想的输出。

并且，在为了获得高输出光束而使激光二极管的个数增加并且将大量激光二极管光束聚束在一起时，偏差产生率、偏差的程度增大与激光二极管的个数相应的量，热阻增大与激光二极管的个数相应的量。

本发明提供一种能够通过使各部件与散热板之间的接触面积增大来防止使激光二极管电流上升时的激光二极管的温度上升和效率下降的激光装置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明所涉及的激光装置具备：多个激光二极管；多个光学元件，所述多个光学元件与所述多个激光二极管对应地设置；多个部件，所述多个部件与所述多个激光二极管对应地设置，所述多个部件是按每个激光二极管以将激光二极管和光学元件固定的方式制作而成的；聚光部，其用于使从所述多个激光二极管射出的光束会聚于光纤；收纳部，其用于收纳所述多个部件和所述聚光部；以及散热部，其用于进行所述多个部件的散热，其中，在所述散热部与各部件之间设置有热阻值为规定值以下的热阻降低元件，或者在所述散热部与各部件之间实施热阻降低处理。

发明的效果

根据本发明，在散热部与各部件之间设置热阻值为规定值以下的热阻降低元件或实施热阻降低处理，因此能够使各部件与散热板之间的接触面积增大。由此，能够提供一种能够防止使激光二极管电流上升时的激光二极管的温度上升和效率下降的激光装置。

附图说明

图1是表示在本发明的实施方式所涉及的激光装置中包括准直透镜保持件和ld保持件的部件的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的使用了多个激光二极管的激光装置的光学系统的图。

图3是本发明的实施方式所涉及的激光装置的整体结构图。

图4是本发明的实施方式所涉及的激光装置的实施例1的结构图。

图5是本发明所涉及的激光装置的实施例2的结构图。

图6是本发明所涉及的激光装置的实施例3的结构图。

图7是本发明所涉及的激光装置的实施例4的结构图。

图8是本发明所涉及的激光装置的实施例5的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式所涉及的激光装置。图1是表示在本发明的实施方式所涉及的激光装置中包括准直透镜保持件11-1和ld保持件10-1的部件12的结构的图。图2是表示本发明的实施方式所涉及的使用了多个激光二极管10的激光装置的光学系统的图。图3是本发明的实施方式所涉及的激光装置的整体结构图。

激光装置具备：多个激光二极管10；多个准直透镜11(与本发明的光学元件对应)，所述多个准直透镜11与多个激光二极管10对应地设置；多个部件12，所述多个部件12与多个激光二极管10对应地设置，所述多个部件12是按每个激光二极管10以将激光二极管10和准直透镜11固定的方式制作而成的；聚光透镜15(与本发明的聚光部对应)，其用于使从激光二极管10射出的光束会聚于光纤16；保持件20(与本发明的收纳部对应)，其用于收纳多个部件12和聚光透镜15；散热板21(与本发明的散热部对应)，其用于进行多个部件12的散热。

如图1所示，激光二极管10固定于ld保持件10-1，准直透镜11固定于准直透镜保持件11-1。能够通过一边确认为使准直光束在预先决定的允许范围内从ld保持件10-1和准直透镜保持件11-1射出，一边将ld保持件10-1和准直透镜保持件11-1焊接固定，来制作部件12。通过反复进行以上的处理来制作多个部件12。

在图2中，部件12是两个例子。部件12的个数不限定于两个，也可以是三个以上。如图2所示，部件12a、12b彼此相距规定距离地配置，收纳固定于保持件20。保持件20还收纳有两个反射镜14、聚光透镜15。另外，在保持件20的外部，与聚光透镜15相向地配置有包括芯17和包层18的光纤16。

如图2所示，从部件12a射出的光束13a被反射镜14控制行进方向，向聚光透镜15行进以耦合于光纤16的芯17。利用聚光透镜15会聚来自部件12a的光束和来自部件12b的光束，调整部件12a和部件12b的位置以耦合于芯17，对各部件12a、12b以及保持件20之间进行激光焊接固定。

在图3中，部件12以与散热板21的一个面接触的方式配置，褶皱状形成的散热器22以与散热板21的另一面接触的方式配置。

首先，对部件12与保持件20之间的位置关系为理想的情况进行说明。如图3所示，在部件12与散热板21之间的接触面积大的情况下，热阻变小。在散热板21对激光二极管10的线缆进行布线，以避免部件12与散热板21之间的接触面积减少的方式配置。由部件12a、12b产生的热经由散热板21而向散热器22传递，被散热器22放出。

因而，抑制激光装置的系统整体的温度上升。也存在部件12a、12b与散热板21之间产生微小的间隙的情况。但是，能够通过插入铟等的热传导片、硅润滑脂等来使热阻降低。

接着，在部件12与保持件20之间的位置关系产生偏移的情况下，部件12a与保持件20之间的最短距离同部件12b与保持件20之间的最短距离变得不相等，因此产生空隙。此时，部件12与散热板21之间的接触面积变小，热阻变大。

因此，以下例示性地说明几个通过在部件12与散热板21之间设置热阻值为规定值以下的热阻降低元件或实施热阻降低处理来使接触面积增大并使热阻减小的实施例。

(实施例1)

图4是本发明所涉及的实施方式所涉及的激光装置的实施例1的结构图。图4的(a)是设置热阻降低元件之前的结构图，图4的(b)是设置了包括热阻降低元件的球冠之后的结构图。

在图4的(a)中，在散热板21形成凹部21a和孔部22a、22b，散热板21接触并固定于保持件20。焊接固定有激光二极管保持件10-1、10-2以及准直透镜保持件11-1、11-2的部件12a、12b安装于保持件20。各激光二极管10的管脚10a、10b贯穿于孔部22a、22b。部件12a、12b相对于散热板21倾斜，在部件12a、12b与散热板21之间形成有间隙。另外，在部件12a、12b的前端部形成有曲率半径r1的球面部12ra、12rb。

接着，在图4的(b)中，在部件12a、12b的与光射出方向相反的一侧，形成有由热阻值为规定值以下的元件(热阻小的材料)构成的球冠13a、13b。该球冠13a、13b包括曲率半径r2的球体。另外，球面部12ra、12rb的曲率中心位置o与球冠13a、13b的曲率中心位置一致。在散热板21还形成有曲率中心位置与曲率中心位置o一致的球状的凹坑部23a、23b。

事先决定散热板21的空间高度以使从部件12a、12b的前端至球冠13a、13b的顶部的长度与r1+r2相等。

根据以上的结构，球面部12ra、12rb、球冠13a、13b以及凹坑部23a、23b的曲率半径的和为r1+r2，从部件12a、12b的前端至球冠13a、13b的长度为r1+r2，因此球的中心一致。因此，即使部件12a、12b相对于散热板21倾斜，部件12a、12b、球冠13a、13b以及散热板21不依赖于部件12a、12b的倾斜地始终以最大的接触面积接触。因而，与插入了传热构件的情况相比，热阻降低。由此，能够防止使激光二极管电流上升时的激光二极管的温度上升和效率下降。

另外，将部件12a、12b的前端部设为某个曲率的凸部，将保持件20的承接侧也设为某个曲率的凹部，由此部件12a、12b的位置对准变得简单。

(实施例2)

图5是本发明所涉及的激光装置的实施例2的结构图。图5的(a)是实施热阻降低处理之前的结构图，图5的(b)是实施了热阻降低处理之后的结构图。

如图5的(a)所示，部件12a、12b相对于散热板21倾斜，在部件12a、12b与散热板21之间形成有间隙。

如图5的(b)所示，在将部件12a、12b焊接固定于保持件20之后，获得部件12a、12b的背面(与光射出方向相反)的高度信息，利用三维高度测定装置等来获得三维位置信息(x，y，z)。

接着，基于高度z的位置信息，对散热板21进行切削加工来形成切削部24a、24b。部件12a、12b的下端与该切削部24a、24b接触。因此，能够使各部件12a、12b与散热板21之间的接触面积增大。各部件12a、12b的下表面(背面)被制作成平坦，因此当以使切削工具的插入角度成为各部件12a、12b的背面的垂线方向的方式进行加工时，效率变高。

另外，在进行切削加工时，当使用nc(numericalcontrol：数控)加工时，作业性得以提高。此外，在进行nc加工的情况下，需要三维位置信息，因此与本实施例之间的亲和性高。

另外，在实施例2中，对散热板21进行了nc加工，但是也可以代替这一工序而对各部件12a、12b进行nc加工。

(实施例3)

图6是本发明所涉及的激光装置的实施例3的结构图。在实施例3的激光装置中，在将部件12a、12b焊接固定到保持件20之后，获得部件12a、12b的背面(与光射出方向相反)的高度信息，利用三维高度测定装置等来获得三维位置信息(x，y，z)。

接着，基于高度z的位置信息，利用三维打印机在散热板21上对金属14a、14b进行层压成型。因此，能够使各部件12a、12b与散热板21之间的接触面积增大。层压成型中使用的金属使用具有与散热板21同等的热阻、且能够坚固地连接的金属材料。散热板21是热传导率高的金属材料、例如铜、铝等。

另外，在实施例3中，对散热板21进行层压成型加工，但是也可以代替这一工序而对各12a、12b进行层压成型加工。

(实施例4)

图7是本发明所涉及的激光装置的实施例4的结构图。图7的(a)是实施热阻降低处理之前的结构图，图7的(b)是实施了热阻降低处理之后的结构图。

在将部件12a、12b焊接固定于保持件20之后，获得部件12a、12b的背面(与光射出方向相反)的高度信息，利用三维高度测定装置等来获得三维位置信息(x，y，z)。

接着，基于高度z的位置信息，使用激光加工装置来对散热板21进行烧蚀加工。烧蚀加工是指通过向散热板21照射脉冲激光使固体结构物质放出而进行激光加工。

通过烧蚀加工在散热板21形成烧蚀加工部25a、25b。部件12a、12b的背面与该烧蚀加工部25a、25b接触，因此能够使各部件12a、12b与散热板21之间的接触面积增大。

另外，在实施例4中，对散热板21进行了烧蚀加工，但是代替这一工序而对各部件12a、12b进行烧蚀加工也能够得到同样的效果。

(实施例5)

图8是本发明所涉及的激光装置的实施例5的结构图。如图8所示，将部件12a、12b焊接固定于保持件20。在散热板21所接触的表面预先设置细微的槽部。槽部是用于利用v字状的槽等的毛细现象使焊剂的流动良好的构造，能够使焊剂15a、15b对于散热板21的润湿性、粘接性提高。

对散热板21的表面整体或处于与各部件12a、12b接触的范围内的表面涂布焊剂15a、15b。能够通过形成槽部来使焊剂15a、15b易于在散热板21与各部件12a、12b之间流动。

利用焊剂15a、15b使散热板21与各部件12a、12b接触并进行加热，对散热板21与各部件12a、12b进行焊接。由此，能够使各部件12a、12b与散热板21之间的接触面积增大。

此时，期望选择冷却激光二极管10使得各部件12a、12b内的激光二极管10的温度不超过绝对最大额定温度(例如80℃)。另外，作为焊剂15a，15b，如果使用低熔点焊剂等，工艺会变得简单。

产业上的可利用性

本发明能够应用于激光加工装置、激光照明装置等高输出激光装置。