本發(fā)明涉及一種射出激光的半導(dǎo)體激光振蕩器。

背景技術(shù)：

以往，半導(dǎo)體激光振蕩器多用于激發(fā)固體激光和光纖激光的目的，隨著高亮度化的實現(xiàn)，直接用于加工的直接二極管激光(ddl)的加工機越來越普及。作為ddl振蕩器，有使用多個高輸出的單發(fā)射器的激光二極管的振蕩器。這種ddl振蕩器射出鎖定為多個波長并與波長光束結(jié)合的激光。

由單發(fā)射器的激光二極管構(gòu)成的ddl振蕩器中，通常將多個激光二極管分為多個組，并控制成流經(jīng)每個組的電流值相同。在一個組中，例如串聯(lián)連接有30～40個激光二極管。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2012-174720號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在ddl振蕩器中，通過結(jié)合光譜光束達到高輸出、高亮度的目的。為實現(xiàn)多個波長的激光的光譜光束結(jié)合，需要將各波長的光譜設(shè)為窄帶。為此，ddl振蕩器借助外部共振器將激光鎖定為多個期望的波長。

此時，波長鎖定效率越高，越能有效地進行光譜光束結(jié)合，從而可以得到高效的激光輸出。為了提高波長鎖定效率，需要選定進行接近各鎖定波長的振蕩的最佳激光二極管材料。然而，制作激光二極管時，使所有鎖定波長材料各異是不現(xiàn)實的。

因此，通常對各鎖定波長分配由多種材料制成的激光二極管，以使波長鎖定效率至少在高輸出時高。

激光二極管所具有的特性是，隨著溫度上升1℃，射出的激光的波長向長波長側(cè)移動0.25～0.3nm左右。從而，若增加激光二極管的輸出，則發(fā)熱量增加、溫度上升，因此射出的激光的波長向長波長側(cè)移動。從而，依照高輸出時調(diào)整波長的材料所存在的問題是，波長鎖定效率即使在高輸出時高，但低輸出時波長會向低波長側(cè)移動，因此有時難以維持高的波長鎖定效率。

激光輸出相對于未進行波長鎖定的通常的激光二極管的輸入電流成線性。但是，越為激光二極管注入高電流而實現(xiàn)高輸出化，與低輸出時的溫度差就變得越大，波長移動量也隨之變大，因而存在著波長鎖定時低輸出時的效率變低的傾向。由于這個原因，激光輸出相對于ddl振蕩器的各個組的激光二極管的輸入電流的關(guān)系不會成線性，而是具有在低輸出時呈下凸曲線狀的特性。

波長鎖定效率低、在鎖定波長之外的波長振蕩的激光，偏離原來的光軸，從而增加應(yīng)射出的激光的損耗。于是，該損耗引發(fā)半導(dǎo)體激光振蕩器內(nèi)部的發(fā)熱和傳輸光纖入射部的局部發(fā)熱。因而，無法最大限地發(fā)揮半導(dǎo)體激光振蕩器的性能。

本實施方式的目的在于提供一種在通過波長鎖定而進行光譜光束結(jié)合的半導(dǎo)體激光振蕩器中，即使在低輸出時也能維持高效率的波長鎖定的半導(dǎo)體激光振蕩器。

根據(jù)本實施方式的一方式，提供一種半導(dǎo)體激光振蕩器，其特征在于，包括由多個組并聯(lián)連接而構(gòu)成二極管單元，其中，由串聯(lián)連接的多個激光二極管構(gòu)成一個組，所述半導(dǎo)體激光振蕩器還具備：控制部，其與波長鎖定效率的特性對應(yīng)地分別控制向所述多個組中的每個組的激光二極管的輸入電流，并且將所述二極管單元整體的輸出控制為被要求的輸出。

根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器，在通過波長鎖定而進行光譜光束結(jié)合的半導(dǎo)體激光振蕩器中，即使在低輸出時也能維持高效率的波長鎖定。

附圖說明

圖1是表示具備一實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器的激光加工機的整體結(jié)構(gòu)的立體圖。

圖2是表示一實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器的框圖。

圖3是表示圖2中的ddl單元的具體結(jié)構(gòu)的概念圖。

圖4是用于說明設(shè)定于圖2中的ddl單元的組的說明圖。

圖5是用于說明波長鎖定效率的特性因激光波長的差異而不同的圖。

圖6是表示一般的輸入電流與激光功率的關(guān)系的ddl的特性圖。

圖7是表示一實施方式中與指令輸出值對應(yīng)的向各組的輸入電流、激光輸出以及ddl單元輸出(組合計激光輸出)的關(guān)系的特性圖。

具體實施方式

以下，參照附圖說明一實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器。首先，說明具備一實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器的激光加工機的整體結(jié)構(gòu)和動作。

圖1所示的激光加工機100以通過激光對被加工材料進行切割加工的激光切割加工機為例。激光加工機也可以是通過激光對被加工材料進行焊接加工的激光焊接加工機、通過激光對被加工材料的表面進行改質(zhì)的表面改質(zhì)裝置、通過激光對被加工材料進行標記的標記裝置。

激光加工機100具備：生成并射出激光lb的激光振蕩器11、激光加工單元15、向激光加工單元15傳輸激光lb的處理光纖12。

例如，激光振蕩器11是ddl振蕩器。以下，稱ddl振蕩器11。ddl振蕩器11的具體結(jié)構(gòu)和動作，將在后面詳述。激光振蕩器11只要具有波長鎖定機構(gòu)即可，不限于ddl振蕩器。

沿配置于激光加工單元15的x軸和y軸的纜線槽(cableduct)(未圖示)而安裝處理光纖(processfiber)12。

激光加工單元15具有：用于放置被加工材料w的加工臺21、在加工臺21上在x軸方向上自由移動的門字形x軸滑架(carriage)22、以及在x軸滑架22上垂直于x軸的y軸方向上自由移動的y軸滑架23。此外，激光加工單元15具有固定于y軸滑架23的準直單元29。

準直單元29具有準直透鏡28和彎曲鏡(bendmirror)25，其中，所述準直透鏡28使從處理光纖12的輸出端射出的激光lb成為大致平行光束，所述彎曲鏡25使轉(zhuǎn)換成大致平行光束的激光lb向與x軸和y軸垂直的z軸方向下方反射。此外，準直單元29具有聚光透鏡27和加工頭26，其中，所述聚光透鏡27使被彎曲鏡25反射的激光lb會聚。

準直透鏡28、彎曲鏡25、聚光透鏡27、加工頭26在預(yù)先調(diào)整了光軸的狀態(tài)下固定于準直單元29內(nèi)。為了校正焦點位置，準直透鏡28也可以在x軸方向上移動。

準直單元29固定于在y軸方向上自由移動的y軸滑架23上，y軸滑架23設(shè)置于在x軸方向上自由移動的x軸滑架22上。從而，激光加工單元15可以使將從加工頭26射出的激光lb照射至被加工材料w的位置在x軸方向和y軸方向上移動。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在激光加工機100中，通過處理光纖12向激光加工單元15傳輸從ddl振蕩器11射出的激光lb，在高能量密度的狀態(tài)下照射至被加工材料w，對被加工材料w進行切割加工。

此外，對被加工材料w進行切割加工時，向被加工材料w噴射用于去除熔融物的輔助氣體。圖1中，省略了噴著輔助氣體的結(jié)構(gòu)的圖示。

接著，利用圖2至圖4說明ddl振蕩器11的具體結(jié)構(gòu)和動作。如圖2所示，ddl振蕩器11具有：ddl單元11u1～11un這n個ddl單元、和對從ddl單元11u1～11un中的各單元射出的激光進行空間光束結(jié)合的組合器(combiner)112。ddl單元11u1～11un為二極管單元的一示例。

此外，ddl振蕩器11具有電力供給部113和控制部114，其中，所述電力供給部113向ddl單元11u1～11un提供電力，所述控制部114對ddl振蕩器11進行控制。電力供給部113可以由電力供給電路構(gòu)成?？刂撇?14可以由微處理器或微型計算機構(gòu)成。

此處，將未確定ddl單元11u1～11un中某一個的ddl單元稱作ddl單元11u。ddl單元11u的個數(shù)n為1以上，根據(jù)要射出的激光lb所需要的輸出適當(dāng)設(shè)定即可。此外，當(dāng)ddl單元11u為1個時，不需要組合器。

具體如圖3所示地構(gòu)成ddl單元11u。ddl單元11u具有激光二極管模塊um1～umn這n個激光二極管模塊。

將未確定激光二極管模塊um1～umn中某一個的激光二極管模塊稱作激光二極管模塊um。激光二極管模塊um的個數(shù)n也適當(dāng)設(shè)定即可。

各激光二極管模塊um由多個激光二極管串聯(lián)連接而構(gòu)成。例如，激光二極管的個數(shù)是14個。通過激光二極管模塊um鎖定的激光的波長不同。

在激光二極管模塊um1～umn中，各激光二極管被空間結(jié)合于光纖uf1～ufn一方的端部。在各激光二極管的與射出激光的一側(cè)相反的一側(cè)的端面形成有高反射鏡。光纖uf1～ufn的另一側(cè)端部為光纖陣列u11。

光纖uf1～ufn的前端部為在與激光的射出方向正交的方向上排成一列的光纖列。例如，從光纖列的前端部的幾毫米至十幾毫米的范圍例如被樹脂圓柱狀地覆蓋而構(gòu)成光纖陣列u11。

由激光二極管模塊um1～umn射出的激光從光纖陣列u11射出后，通過準直透鏡u12被平行光化而成為大致平行光束。從準直透鏡u12射出的各個激光以互不相同的角度入射至光柵(grating)u13后方向彎曲，經(jīng)由部分反射鏡u14而射出。

此時，向光柵u13的入射角度取決于激光入射準直透鏡u12的位置的差異。

激光的一部分被部分反射鏡u14反射后返回至激光二極管模塊um的各激光二極管，被高反射鏡反射后重新入射至部分反射鏡u14。

這樣，激光在激光二極管模塊um內(nèi)部的高反射鏡和部分反射鏡u14之間諧振。ddl單元11u構(gòu)成外部諧振器。高反射鏡和部分反射鏡u14構(gòu)成外部諧振器鏡。

ddl單元11u通過外部諧振器和光柵u13對激光進行波長鎖定。光柵u13除了波長鎖定的功能外，還具有光譜光束結(jié)合的功能。

通過上述結(jié)構(gòu)和動作，從ddl單元11u輸出鎖定于多個波長的、具有如圖那樣的波長光譜sp1的激光。

在ddl單元11u中，設(shè)定有并聯(lián)連接的多個組(bank)。圖4示出了設(shè)定于ddl單元11u的組的結(jié)構(gòu)例。在本實施方式中，設(shè)為ddl單元11u中設(shè)定有2個組。組的數(shù)量也可以是3個以上。

如圖4所示，各個組中串聯(lián)連接有多個激光二極管模塊um。圖4中，串聯(lián)連接有2個激光二極管模塊um，但也可以串聯(lián)連接3個激光二極管模塊um。

串聯(lián)連接的激光二極管的數(shù)量為易于電壓控制的、例如成為50～75v的電壓的數(shù)量為佳。各個組由電力供給部113供給50～75v的電壓，流經(jīng)0～12a的電流。

圖4所示的組1、2中，ddl單元11u輸出鎖定為波長λ1～λ4各個波長的激光。此外，圖2中的ddl單元11u1～11un作為整體輸出例如波長910nm～950nm的激光。

此處，利用圖5說明波長鎖定效率的特性因激光的波長的差異而不同。如圖5所示，在λ1、λ2中，在輸入電流為0～12a的幾乎所有輸出區(qū)域波長鎖定效率高。另一方面，在λ3、λ4中，在輸入電流為0～4a左右的低輸出區(qū)域波長鎖定效率低。

當(dāng)向由具有圖5所示波長鎖定效率的特性的激光二極管模塊um構(gòu)成的ddl單元11u提供0～12a的電流時，激光輸出相對于輸入電流具有圖6所示特性。在圖6中，一點鎖線表示輸出鎖定為波長λ1、λ2的波長的激光的組1中與輸入電流對應(yīng)的激光輸出特性，虛線表示輸出鎖定為波長λ3、λ4的波長的激光的組2中與輸入電流對應(yīng)的激光輸出特性，實線表示ddl單元11u(組1、組2的合計)的輸出特性。

理想地，輸入電流與激光功率的關(guān)系，如二點鎖線所示，為線性。然而，當(dāng)結(jié)合一點鎖線所示的特性和虛線所示的特性時，如實線所示，作為ddl單元11u整體的特性成為下凸曲線狀。

因此，在本實施方式中，如圖7所示對組1、2進行控制。如上所述，向組1分配低輸出至高輸出為止波長鎖定效率高的波長λ1、λ2，向組2分配低輸出時波長鎖定效率低的波長λ3、λ4。

如圖7所示，控制部114對組1指令功率，以便如一點鎖線所示那樣從低輸出至高輸出為止輸出激光功率。詳細而言，指令功率值為0至400w左右為止，使輸入電流線性增加后，暫時將輸入電流設(shè)為0。指令功率值為400w左右之后，使輸入電流從0線性增加至12a。

控制部114對組2指令功率，以便如虛線所示那樣將低輸出時輸出的激光功率設(shè)為0，在中輸出以上時輸出激光功率。詳細而言，指令功率值為0至400w左右為止將輸入電流設(shè)為0。當(dāng)指令功率值為400w左右時，使輸入電流上升至6a左右，在此之后使輸入電流線性增加至12a。

控制部114如圖7所示那樣對組1、2進行控制，從而能夠在ddl單元11u整體中如實線所示那樣輸出，能夠設(shè)為接近二點鎖線所示的理想特性的特性。

如上所述，由于按組進行輸入電流控制，因此將低輸出時波長鎖定效率變低的特性分配給同一組，并在中電流(中輸出)以上時進行控制。控制部114與波長鎖定效率的特性對應(yīng)地分別控制向多個組中的各個組的激光二極管的輸入電流。

為控制部114分別控制向多個組中的各個組的激光二極管的輸入電流，以便使合成多個組中的各個組輸出的激光的激光功率成為所要求的振蕩器輸出，且在振蕩器的所有輸出區(qū)域?qū)⒉ㄩL鎖定效率維持得高。

具體地，當(dāng)多個組包括輸入電流為0至預(yù)定值為止的低電流時的波長鎖定效率為第一狀態(tài)的第一組、以及波長鎖定效率為低于第一狀態(tài)的第二狀態(tài)的第二組時，控制部114進行如下控制即可。

控制部114控制第二組的輸出，以便在0至預(yù)定值時為止將ddl單元11u整體所要求的輸出設(shè)為0。

根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器，可以改善振蕩器輸出為低輸出時的波長鎖定效率，同時還可以用于電-光轉(zhuǎn)換效率高的區(qū)域，因而可以減少低輸出時的電力浪費。

此外，根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器，可以防止受波長鎖定效率下降引起的輸出損失的影響的振蕩器內(nèi)部的發(fā)熱、傳輸光纖的局部發(fā)熱，可以使振蕩器輸出穩(wěn)定，且防止光學(xué)部件的損壞。

本發(fā)明不限于以上說明的本實施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，可以實施各種變更。

激光二極管，例如是單發(fā)射器的激光二極管。激光二極管也可以是將多個單發(fā)射器的激光二極管進行空間結(jié)合而得的激光二極管模塊。

激光二極管也可以是二極管激光條。激光二極管也可以是將多個二極管激光條進行空間結(jié)合而得的激光二極管模塊。此外，二極管激光條為發(fā)射器例如以500μm的間隔橫向排列的芯片。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明可以利用于射出激光的半導(dǎo)體激光振蕩器。