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WO2023234004A1 - レーザ光照射装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

レーザ光照射装置及びレーザ加工装置 Download PDF

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WO2023234004A1
WO2023234004A1 PCT/JP2023/018220 JP2023018220W WO2023234004A1 WO 2023234004 A1 WO2023234004 A1 WO 2023234004A1 JP 2023018220 W JP2023018220 W JP 2023018220W WO 2023234004 A1 WO2023234004 A1 WO 2023234004A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
lens
laser
laser light
irradiation device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/018220
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅也 諏訪
直也 石垣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shimadzu Corp filed Critical Shimadzu Corp
Priority to JP2024524312A priority Critical patent/JPWO2023234004A1/ja
Priority to US18/871,005 priority patent/US20250229359A1/en
Priority to EP23815764.8A priority patent/EP4535054A1/en
Publication of WO2023234004A1 publication Critical patent/WO2023234004A1/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
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    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser beam irradiation device and a laser processing device.
  • Patent Document 1 JP-A-2007-163947 discloses a multiplexing optical system that couples multiple laser beams emitted from multiple semiconductor lasers to an optical fiber.
  • An object of the first aspect of the present disclosure is to provide a laser beam irradiation device that can stably couple laser beams emitted from each of a plurality of laser light sources to an optical fiber over a long period of time.
  • a second aspect of the present disclosure is to provide a laser processing device that can stably process a workpiece over a longer period of time.
  • the laser light irradiation device of the present disclosure includes a plurality of laser light sources, an optical fiber, and a coupling optical system.
  • Each of the plurality of laser light sources emits a laser beam.
  • the coupling optical system is arranged between the plurality of laser light sources and the optical fiber, and couples the laser beam to the optical fiber.
  • the coupling optical system includes a reduction optical system.
  • the reduction optical system includes a first lens and a second lens. In the optical path of the laser beam, the first lens is arranged closer to the plurality of laser light sources than the second lens.
  • the second beam cross-sectional area of the laser beam at the exit surface of the second lens is smaller than the first beam cross-sectional area of the laser beam at the entrance surface of the first lens.
  • the first lens is made of a first glass material.
  • the second lens is made of a second glass material.
  • the second energy gap of the second glass material is larger than the first energy gap of the first glass material.
  • the laser processing device of the present disclosure includes the laser beam irradiation device of the present disclosure.
  • laser beams emitted from each of a plurality of laser light sources can be stably coupled to an optical fiber over a long period of time.
  • a workpiece can be stably processed over a longer period of time.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser beam irradiation device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a laser light source included in the laser light irradiation device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a graph of the light intensity distribution in the fast axis direction of a laser beam emitted from a laser light source included in the laser light irradiation device of the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a graph of the light intensity distribution in the slow axis direction of a laser beam emitted from a laser light source included in the laser light irradiation device of the embodiment.
  • It is a schematic diagram of the laser beam irradiation apparatus of the modification of embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser beam irradiation device according to an embodiment. It is a figure which shows the graph showing the temporal change of the optical output of the laser beam irradiation apparatus of an Example and a comparative
  • the laser light irradiation device 1 includes a plurality of laser light sources 10, a coupling optical system 20, and an optical fiber 30.
  • the laser beam irradiation device 1 may further include a plurality of packages 9.
  • Each of the plurality of packages 9 accommodates a corresponding one of the plurality of laser light sources 10.
  • Each of the plurality of packages 9 is, for example, a TO-CAN package.
  • Each of the plurality of laser light sources 10 emits a corresponding one of the plurality of laser beams 19.
  • the plurality of laser beams 19 have the same wavelength.
  • Each of the plurality of laser beams 19 has a wavelength of, for example, 380 nm or more and 550 nm or less.
  • Each of the plurality of laser light sources 10 is, for example, a continuous wave (CW) laser light source.
  • Each of the plurality of laser light sources 10 is, for example, a high-power laser light source having an optical output of 5 W or more.
  • the plurality of laser light sources 10 have a total optical output of, for example, 1 kW or more.
  • each of the plurality of laser light sources 10 is, for example, a laser diode.
  • the laser diode includes a substrate 11 , a lower cladding layer 12 , an active layer 13 , an upper cladding layer 14 , electrodes 15 and 16 , and an insulating layer 17 .
  • Lower cladding layer 12 is formed on substrate 11 .
  • the active layer 13 is formed on the lower cladding layer 12.
  • Upper cladding layer 14 is formed on active layer 13 .
  • the active layer 13 is sandwiched between the lower cladding layer 12 and the upper cladding layer 14.
  • Electrode 15 is formed on substrate 11 .
  • the electrode 15 may be formed not on the substrate 11 but on the lower cladding layer 12.
  • Electrode 16 is formed on upper cladding layer 14 .
  • a laser beam 19 is emitted from the end face of the active layer 13.
  • the laser beam 19 has an elliptical shape.
  • the fast axis direction of the laser beam 19 is in the thickness direction of the active layer 13
  • the slow axis direction of the laser beam 19 is in the width direction of the active layer 13.
  • the x-axis direction shown in FIG. 1 is the fast axis direction of the laser beam 19.
  • the y-axis direction shown in FIG. 1 is the slow axis direction of the laser beam 19.
  • the z-axis direction shown in FIG. 1 is the optical axis direction of the laser beam 19.
  • the plurality of laser light sources 10 may be solid lasers or fiber lasers.
  • the cross-sectional shape of the laser beam 19 in a cross section perpendicular to the optical axis O of the laser beam 19 is not limited to an ellipse, but may be circular or the like.
  • the coupling optical system 20 is arranged between the plurality of laser light sources 10 and the optical fiber 30.
  • the coupling optical system 20 couples the laser beams 19 emitted from each of the plurality of laser light sources 10 to the optical fiber 30.
  • the coupling optical system 20 includes a plurality of collimating lenses 21 , a reduction optical system 22 , and a condensing lens 26 .
  • the plurality of collimating lenses 21 are arranged between the plurality of laser light sources 10 and the reduction optical system 22. Each of the plurality of collimating lenses 21 is provided for a corresponding one of the plurality of laser light sources 10. Each of the plurality of collimating lenses 21 collimates a corresponding one of the plurality of laser beams 19.
  • the plurality of collimating lenses 21 are made of, for example, the same glass material as the lens 23a described later. That is, the plurality of collimating lenses 21 are made of, for example, a first glass material that will be described later.
  • the reduction optical system 22 reduces the distance between the plurality of laser beams 19. Therefore, the reduction optical system 22 can make the plurality of laser beams 19 enter within the range of the numerical aperture NA of the optical fiber 30.
  • the reduction optical system 22 includes a lens 23a and a lens 24a. In the optical path of the laser beam 19, the lens 23a is arranged closer to the plurality of laser light sources 10 than the lens 24a. In the optical path of the laser beam 19, the lens 23a is arranged between the plurality of laser light sources 10 and the lens 24a.
  • the lens 23a has an entrance surface 23i and an exit surface 23j.
  • Lens 23a has positive power.
  • the lens 23a is, for example, a plano-convex lens with a convex surface facing the plurality of laser light sources 10.
  • the lens 24a has an entrance surface 24i and an exit surface 24j.
  • Lens 24a has negative power.
  • the lens 24a is, for example, a plano-concave lens with a concave surface facing the optical fiber 30 side.
  • the reduction optical system 22 reduces the distance between the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction (x direction), and also reduces the beam size of each of the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction (for example, beam diameter). Therefore, the second beam cross-sectional area of each of the plurality of laser beams 19 at the exit surface 24j of the lens 24a is smaller than the first beam cross-sectional area of each of the plurality of laser beams 19 at the entrance surface 23i of the lens 23a.
  • the cross-sectional area of the laser beam 19 is defined as the cross-sectional area of the laser beam 19 such that the light intensity of the laser beam 19 is 1/e 2 of the peak light intensity of the laser beam 19 in a cross section perpendicular to the optical axis of the laser beam 19. is the area of the region.
  • the region of the laser beam 19 that is 1/e 2 of the peak light intensity of the laser beam 19 has a major axis W x (see FIG. 3) in the fast axis direction, Moreover, it has an elliptical shape with a minor axis W y (see FIG. 4) in the slow axis direction. Therefore, the cross-sectional area of the laser beam 19 is given by the area of an ellipse having a major axis W x and a minor axis W y .
  • the lens 23a is made of a first glass material.
  • the lens 24a is made of a second glass material.
  • the second energy gap of the second glass material is larger than the first energy gap of the first glass material.
  • the first energy gap is less than or equal to 6.6 eV
  • the second energy gap is greater than 6.6 eV.
  • the second energy gap is, for example, 1.4 times or more the first energy gap.
  • the second energy gap is, for example, greater than twice the photon energy of the laser beam 19.
  • the photon energy E (eV) of the laser beam 19 is given by equation (1).
  • h represents Planck's constant
  • c represents the speed of light in vacuum
  • e represents the elementary charge
  • ⁇ represents the wavelength of the laser beam 19.
  • the first glass material is, for example, BK7.
  • BK7 has an energy gap ranging from 4.5eV to 5.7eV.
  • the second glass material is, for example, synthetic quartz. Synthetic quartz has an energy gap ranging from 8eV to 9eV.
  • BK7 and synthetic quartz have high transmittance for light having wavelengths in the visible range (for example, wavelengths in the range of 380 nm to 750 nm).
  • BK7 has lower material cost and better workability than synthetic quartz. Therefore, BK7 allows lenses to be manufactured more cheaply than synthetic quartz.
  • the refractive index of BK7 is greater than that of synthetic quartz. Therefore, BK7 allows the size of the lens alone and the size of the optical system including the lens to be reduced more than synthetic quartz.
  • the temperature coefficient of refractive index of BK7 is 2.6 ppm/°C
  • the temperature coefficient of refractive index of synthetic quartz is 10.6 ppm/°C.
  • the temperature change in the refractive index of BK7 is smaller than the temperature coefficient of the refractive index of synthetic quartz.
  • the reduction optical system 22 reduces the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction), and also reduces the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction).
  • the beam size (for example, beam diameter) of each of the plurality of laser beams 19 may be reduced in both directions.
  • Such a reduction optical system 22 is suitable, for example, when each of the plurality of laser beams 19 has a circular cross-sectional shape.
  • the condenser lens 26 is arranged between the reduction optical system 22 and the optical fiber 30.
  • the condenser lens 26 condenses the laser beam 19 emitted from the reduction optical system 22 onto the core 31 of the optical fiber 30 .
  • the condensing lens 26 is, for example, a biconvex positive lens.
  • the condenser lens 26 is made of the same glass material as the lens 24a, for example. That is, the condenser lens 26 is made of, for example, the second glass material.
  • Optical fiber 30 includes a core 31 and a cladding 32. Core 31 is surrounded by cladding 32. Core 31 has a larger refractive index than cladding 32. A plurality of laser beams 19 emitted from a plurality of laser light sources 10 propagate through a core 31 . The plurality of laser beams 19 are multiplexed in the core 31 and emitted from the core 31 as a laser beam 35 .
  • the optical fiber 30 is, for example, a quartz optical fiber. When the optical fiber 30 is placed in air, the numerical aperture NA of the optical fiber 30 and the maximum incident angle ⁇ max of light that can be coupled into the optical fiber 30 are given by equation (2).
  • n core represents the refractive index of the core 31, and n clad represents the refractive index of the cladding 32.
  • the laser beam irradiation device 1b has the same configuration as the laser beam irradiation device 1, but differs from the laser beam irradiation device 1 in that the reduction optical system 22 includes a plurality of lenses 23a, 23b and a plurality of lenses 24a, 24b. It's different.
  • the plurality of lenses 23a and 23b are a first reduction optical system
  • the plurality of lenses 24a and 24b are a second reduction optical system.
  • the reduction optical system 22 includes a first reduction optical system and a second reduction optical system.
  • the first reduction optical system and the second reduction optical system are arranged in series along the optical axis of each of the plurality of laser beams 19. Therefore, even if the number of the plurality of laser light sources 10 increases, the reduction optical system 22 can make the plurality of laser beams 19 enter the optical fiber 30 within the range of the numerical aperture NA.
  • the entrance surface 23i of the plurality of lenses 23a and 23b is the entrance surface of the lens 23a.
  • the exit surface 23j of the plurality of lenses 23a and 23b is the exit surface of the lens 23b.
  • Lens 23a has positive power.
  • the lens 23a is, for example, a plano-convex lens with a convex surface facing the plurality of laser light sources 10.
  • Lens 23b has negative power.
  • the lens 23b is, for example, a plano-concave lens with a concave surface facing the optical fiber 30 side.
  • the entrance surface 24i of the plurality of lenses 24a and 24b is the entrance surface of the lens 24a.
  • the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a and 24b is the exit surface of the lens 24b.
  • Lens 24a has positive power.
  • the lens 24a is, for example, a plano-convex lens with a convex surface facing the plurality of laser light sources 10.
  • Lens 24b has negative power.
  • the lens 24b is, for example, a plano-concave lens with a concave surface facing the optical fiber 30 side.
  • the plurality of lenses 23a and 23b reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction (x direction), and also reduce the beam size (for example, beam diameter) of each of the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction. reduce The plurality of lenses 24a and 24b also reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction (x direction), and also reduce the beam size (for example, beam diameter) of each of the plurality of laser beams 19 in the fast axis direction.
  • the second beam cross-sectional area of each of the plurality of laser beams 19 at the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a, 24b is the same as the first beam of each of the plurality of laser beams 19 at the entrance surface 23i of the plurality of lenses 23a, 23b. smaller than the cross-sectional area.
  • the second power density of the laser beam 19 at the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a, 24b is greater than the first power density of the laser beam 19 at the entrance surface 23i of the plurality of lenses 23a, 23b.
  • the first power density of the laser beam 19 at the incident surface 23i of the plurality of lenses 23a and 23b is, for example, less than 300 W/cm 2 .
  • the second power density of the laser beam 19 at the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a, 24b is, for example, 300 W/cm 2 or more.
  • the second power density of the laser beam 19 at the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a, 24b is, for example, more than twice the first power density of the laser beam 19 at the entrance surface 23i of the plurality of lenses 23a, 23b.
  • the plurality of lenses 23a and 23b are made of a first glass material.
  • the number of lenses formed of the first glass material is not limited to two, and may be three or more.
  • the plurality of lenses 24a and 24b are not limited to two, and are formed of the second glass material.
  • the number of lenses formed of the second glass material may be three or more.
  • the second energy gap of the second glass material is larger than the first energy gap of the first glass material.
  • the first energy gap is less than or equal to 6.6 eV
  • the second energy gap is greater than 6.6 eV.
  • the second energy gap is, for example, 1.4 times or more the first energy gap.
  • the second energy gap is, for example, greater than twice the photon energy of the laser beam 19.
  • the first glass material is, for example, BK7.
  • the second glass material is, for example, synthetic quartz.
  • the plurality of lenses 23a and 23b reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction), and also reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction).
  • the beam size (for example, beam diameter) of each of the plurality of laser beams 19 may be reduced in both directions (y direction).
  • the plurality of lenses 24a and 24b reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction), and also reduce the distance between the plurality of laser beams 19 in both the fast axis direction (x direction) and the slow axis direction (y direction).
  • the beam size (for example, beam diameter) of each of the plurality of laser beams 19 may be reduced in both directions (y direction).
  • Such a reduction optical system 22 is suitable, for example, when each of the plurality of laser beams 19 has a circular cross-sectional shape.
  • the laser processing device 2 processes a workpiece 40 using a laser beam 35. Specifically, the work 40 is heated by irradiating the work 40 with the laser beam 35 . The material constituting the workpiece 40 melts or evaporates. In this way, the workpiece 40 is processed using the laser beam 35.
  • processing includes, for example, welding, cutting, and processing for forming a recess in the workpiece 40.
  • the laser processing device 2 includes a laser beam irradiation device 41, an irradiation mechanism 42, a movement mechanism 43, a workpiece mounting table 44, and a controller 45.
  • the laser light irradiation device 41 is the laser light irradiation device 1 (see FIG. 1) or the laser light irradiation device 1b (see FIG. 5).
  • the workpiece 40 is placed on the workpiece mounting table 44 .
  • the irradiation mechanism 42 includes a condenser lens (not shown).
  • the irradiation mechanism 42 focuses the laser beam 35 emitted from the optical fiber 30 using a condensing lens, and irradiates the workpiece 40 with the laser beam 35 .
  • the moving mechanism 43 includes a motor (not shown). The moving mechanism 43 moves the irradiation mechanism 42 to move the irradiation area of the laser beam 35 on the workpiece 40 .
  • the controller 45 controls the laser beam irradiation device 41 and the movement mechanism 43.
  • the controller 45 controls a plurality of laser light sources 10 included in the laser light irradiation device 41.
  • Controller 45 controls a motor included in moving mechanism 43.
  • the controller 45 is, for example, a microcomputer that includes a processor, a storage device such as a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory).
  • a CPU Central Processing Unit
  • RAM functions as a working memory that temporarily stores data processed by the processor.
  • the storage device stores, for example, programs executed by a processor.
  • the controller 45 controls the laser beam irradiation device 41 and the movement mechanism 43 by the processor executing a program stored in the storage device.
  • Various processes in the controller 45 are not limited to being executed by software, and may be executed by dedicated hardware (electronic circuit).
  • the operation of the laser light irradiation devices 1 and 1b of the present embodiment will be explained while comparing the laser light irradiation device of the example and the laser light irradiation device of the comparative example.
  • the laser beam irradiation device of the example is configured similarly to the laser beam irradiation device 1b of the modification of the present embodiment.
  • the plurality of laser light sources 10 are blue laser diodes that emit blue laser beams
  • the first glass material is made of BK7
  • the second glass material is made of synthetic quartz.
  • the first power density of the laser beam 19 at the entrance surface 23i of the plurality of lenses 23a, 23b is 231 W/ cm2
  • the second power density of the laser beam 19 at the exit surface 24j of the plurality of lenses 24a, 24b is 486W/cm2. cm2 .
  • the laser light irradiation device of the comparative example has the same configuration as the laser light irradiation device of the example, but in the laser light irradiation device of the comparative example, the first glass material and the second glass material are formed of BK7.
  • the intensity of the laser beam 35 output from the optical fiber 30 decreases significantly as the irradiation time of the laser beam 35 becomes longer. The reason is thought to be as follows.
  • the band gap energy of BK7 is larger than the photon energy of laser beam 19. Therefore, BK7 is basically transparent to the laser beam 19 and does not absorb the laser beam 19. However, the bandgap energy of BK7 is less than twice the photon energy of laser beam 19. Therefore, when the optical output of each of the plurality of laser light sources 10 increases and the power density of the laser beam 19 in the plurality of lenses 24a, 24b increases, two-photon absorption occurs in the plurality of lenses 24a, 24b. The two-photon absorption breaks the chemical bonds in the glass forming the lenses 24a, 24b, increasing the density of the glass in the lenses 24a, 24b.
  • the refractive index of the plurality of lenses 24a, 24b increases, and the coupling efficiency of the laser beam 19 from the coupling optical system 20 to the optical fiber 30 decreases.
  • the laser beams 19 emitted from each of the plurality of laser light sources 10 cannot be stably coupled to the optical fiber 30 over a long period of time. In this way, the intensity of the laser beam 35 output from the optical fiber 30 is significantly reduced.
  • the reason is thought to be as follows.
  • the band gap energy of synthetic quartz is greater than twice the photon energy of the laser beam 19. Therefore, even if the optical output of each of the plurality of laser light sources 10 increases and the power density of the laser beam 19 in the plurality of lenses 24a, 24b increases, two-photon absorption does not occur in the plurality of lenses 24a, 24b. Even if the irradiation time of the laser beam 35 becomes longer, the refractive index of the plurality of lenses 24a and 24b hardly changes, and the coupling efficiency of the laser beam 19 from the coupling optical system 20 to the optical fiber 30 also hardly changes.
  • the laser beam 19 emitted from each of the plurality of laser light sources 10 can be stably coupled to the optical fiber 30 over a long period of time. In this way, a decrease in the intensity of the laser beam 35 output from the optical fiber 30 is suppressed.
  • a laser light irradiation device includes a plurality of laser light sources, an optical fiber, and a coupling optical system.
  • Each of the plurality of laser light sources emits a laser beam.
  • the coupling optical system is arranged between the plurality of laser light sources and the optical fiber, and couples the laser beam to the optical fiber.
  • the coupling optical system includes a reduction optical system.
  • the reduction optical system includes a first lens and a second lens. In the optical path of the laser beam, the first lens is arranged closer to the plurality of laser light sources than the second lens.
  • the second beam cross-sectional area of the laser beam at the exit surface of the second lens is smaller than the first beam cross-sectional area of the laser beam at the entrance surface of the first lens.
  • the first lens is made of a first glass material.
  • the second lens is made of a second glass material.
  • the second energy gap of the second glass material is larger than the first energy gap of the first glass material.
  • the laser beam has a wavelength of 380 nm or more and 550 nm or less, the first energy gap is 6.6 eV or less, and the second energy gap is Greater than 6.6eV.
  • the second glass material is synthetic quartz.
  • the first glass material is BK7.
  • BK7 has lower material costs and better workability than synthetic quartz.
  • the refractive index of BK7 is higher than that of synthetic quartz. Therefore, the cost and size of the coupling optical system can be reduced, and the cost and size of the laser irradiation device can be reduced.
  • the plurality of laser light sources are plural laser diodes.
  • the cost and size of the laser irradiation device can be reduced.
  • the second energy gap is larger than twice the photon energy of the laser beam.
  • the second energy gap is 1.4 times or more the first energy gap.
  • the second power density of the laser beam at the exit surface of the second lens is the same as that of the laser beam at the entrance surface of the first lens. It is more than twice the first power density of the beam.
  • the coupling optical system includes a condenser lens.
  • the condensing lens is disposed between the reduction optical system and the optical fiber, and is made of a second glass material.
  • the laser beam emitted from each of the plurality of laser light sources can be coupled to the optical fiber with higher coupling efficiency.
  • the coupling optical system includes a plurality of collimating lenses.
  • the plurality of collimating lenses are arranged between the plurality of laser light sources and the reduction optical system, and are made of a first glass material.
  • the laser beam emitted from each of the plurality of laser light sources can be coupled to the optical fiber with higher coupling efficiency.
  • a laser processing device includes the laser beam irradiation device according to any one of Sections 1 to 10.
  • the laser beams emitted from each of the plurality of laser light sources can be stably coupled to the optical fiber over a long period of time. Therefore, according to the laser processing apparatus, the workpiece can be stably processed over a longer period of time.

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Abstract

レーザ光照射装置（１）は、複数のレーザ光源（１０）と、光ファイバ（３０）と、結合光学系（２０）とを備える。結合光学系（２０）は、縮小光学系（２２）を含む。縮小光学系（２２）は、レンズ（２３ａ）及びレンズ（２４ａ）とを含む。レンズ（２３ａ）は、第１硝材で形成されている。レンズ（２４ａ）は、第２硝材で形成されている。第２硝材の第２エネルギーギャップは、第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい。

Description

レーザ光照射装置及びレーザ加工装置
　本開示は、レーザ光照射装置及びレーザ加工装置に関する。
　特開２００７－１６３９４７号公報（特許文献１）は、複数の半導体レーザから放射された複数のレーザビームを光ファイバに結合させる合波光学系を開示している。
特開２００７－１６３９４７号公報
　本開示の第一の局面の目的は、複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができるレーザ光照射装置を提供することである。本開示の第二の局面の目的は、ワークをより長い期間にわたって安定的に加工することができるレーザ加工装置を提供することである。
　本開示のレーザ光照射装置は、複数のレーザ光源と、光ファイバと、結合光学系とを備える。複数のレーザ光源は、各々、レーザビームを放射する。結合光学系は、複数のレーザ光源と光ファイバとの間に配置されており、レーザビームを光ファイバに結合させる。結合光学系は、縮小光学系を含む。縮小光学系は、第１レンズ及び第２レンズを含む。レーザビームの光路において、第１レンズは、第２レンズよりも複数のレーザ光源の近くに配置されている。第２レンズの出射面におけるレーザビームの第２ビーム断面積は、第１レンズの入射面におけるレーザビームの第１ビーム断面積より小さい。第１レンズは、第１硝材で形成されている。第２レンズは、第２硝材で形成されている。第２硝材の第２エネルギーギャップは、第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい。
　本開示のレーザ加工装置は、本開示のレーザ光照射装置を備えている。
　本開示のレーザ光照射装置によれば、複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。本開示のレーザ加工装置によれば、ワークをより長い期間にわたって安定的に加工することができる。
実施の形態のレーザ光照射装置の概略図である。 実施の形態のレーザ光照射装置に含まれるレーザ光源の例を示す概略斜視図である。 実施の形態のレーザ光照射装置に含まれるレーザ光源から放射されるレーザビームの、ファスト軸方向における光強度分布のグラフを示す図である。 実施の形態のレーザ光照射装置に含まれるレーザ光源から放射されるレーザビームの、スロー軸方向における光強度分布のグラフを示す図である。 実施の形態の変形例のレーザ光照射装置の概略図である。 実施の形態のレーザ光照射装置の概略図である。 実施例及び比較例のレーザ光照射装置の光出力の経時変化を表すグラフを示す図である。
　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
　図１から図４を参照して、実施の形態のレーザ光照射装置１を説明する。レーザ光照射装置１は、複数のレーザ光源１０と、結合光学系２０と、光ファイバ３０とを備える。レーザ光照射装置１は、複数のパッケージ９をさらに備えてもよい。
　複数のパッケージ９の各々は、複数のレーザ光源１０のうちの対応するレーザ光源１０を収容する。複数のパッケージ９の各々は、例えば、ＴＯ－ＣＡＮパッケージである。
　複数のレーザ光源１０の各々は、複数のレーザビーム１９のうちの対応するものを放射する。複数のレーザビーム１９は、例えば、互いに同じ波長を有している。複数のレーザビーム１９の各々は、例えば、３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長を有している。複数のレーザ光源１０の各々は、例えば、連続波（ＣＷ）レーザ光源である。複数のレーザ光源１０の各々は、例えば、５Ｗ以上の光出力を有する高出力レーザ光源である。複数のレーザ光源１０は、全体で、例えば、１ｋＷ以上の光出力を有する。
　図２に示されるように、複数のレーザ光源１０の各々は、例えば、レーザダイオードである。レーザダイオードは、基板１１と、下部クラッド層１２と、活性層１３と、上部クラッド層１４と、電極１５，１６と、絶縁層１７とを含む。下部クラッド層１２は、基板１１上に形成されている。活性層１３は、下部クラッド層１２上に形成されている。上部クラッド層１４は、活性層１３上に形成されている。活性層１３は、下部クラッド層１２と上部クラッド層１４とに挟まれている。電極１５は、基板１１上に形成されている。電極１５は、基板１１上ではなく下部クラッド層１２上に形成されてもよい。電極１６は、上部クラッド層１４上に形成されている。
　電極１５及び電極１６を通して活性層１３に電流が注入されると、活性層１３の端面からレーザビーム１９が放射される。レーザビーム１９の光軸Ｏに垂直な断面において、レーザビーム１９は楕円形状を有している。レーザビーム１９の光軸Ｏに垂直な断面において、レーザビーム１９のファスト軸方向は活性層１３の厚さ方向であり、レーザビーム１９のスロー軸方向は活性層１３の幅方向である。図１に示されるｘ軸方向は、レーザビーム１９のファスト軸方向である。図１に示されるｙ軸方向は、レーザビーム１９のスロー軸方向である。図１に示されるｚ軸方向は、レーザビーム１９の光軸方向である。
　複数のレーザ光源１０は、固体レーザであってもよいし、ファイバレーザであってもよい。レーザビーム１９の光軸Ｏに垂直な断面におけるレーザビーム１９の断面形状は、楕円に限られず、円形などであってもよい。
　図１に示されるように、結合光学系２０は、複数のレーザ光源１０と光ファイバ３０との間に配置されている。結合光学系２０は、複数のレーザ光源１０の各々から放射されたレーザビーム１９を光ファイバ３０に結合させる。結合光学系２０は、複数のコリメートレンズ２１と、縮小光学系２２と、集光レンズ２６とを含む。
　複数のコリメートレンズ２１は、複数のレーザ光源１０と縮小光学系２２との間に配置されている。複数のコリメートレンズ２１の各々は、複数のレーザ光源１０のうちの対応するものに対して設けられている。複数のコリメートレンズ２１の各々は、複数のレーザビーム１９のうちの対応するものをコリメートする。複数のコリメートレンズ２１は、例えば、後述するレンズ２３ａと同じ硝材で形成されている。すなわち、複数のコリメートレンズ２１は、例えば、後述する第１硝材で形成されている。
　縮小光学系２２は、複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させる。そのため、縮小光学系２２は、複数のレーザビーム１９を、光ファイバ３０の開口数ＮＡの範囲内で入射させることができる。縮小光学系２２は、レンズ２３ａと、レンズ２４ａとを含む。レーザビーム１９の光路において、レンズ２３ａは、レンズ２４ａよりも複数のレーザ光源１０の近くに配置されている。レーザビーム１９の光路において、レンズ２３ａは、複数のレーザ光源１０とレンズ２４ａとの間に配置されている。
　レンズ２３ａは、入射面２３ｉと、出射面２３ｊとを有している。レンズ２３ａは、正パワーを有している。レンズ２３ａは、例えば、複数のレーザ光源１０側に凸面を向けた平凸レンズである。
　レンズ２４ａは、入射面２４ｉと、出射面２４ｊとを有している。レンズ２４ａは、負パワーを有している。レンズ２４ａは、例えば、光ファイバ３０側に凹面を向けた平凹レンズである。
　本実施の形態では、縮小光学系２２は、ファスト軸方向（ｘ方向）において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させる。そのため、レンズ２４ａの出射面２４ｊにおける複数のレーザビーム１９の各々の第２ビーム断面積は、レンズ２３ａの入射面２３ｉにおける複数のレーザビーム１９の各々の第１ビーム断面積より小さい。本明細書において、レーザビーム１９の断面積は、レーザビーム１９の光軸に垂直な断面において、レーザビーム１９の光強度がレーザビーム１９のピーク光強度の１／ｅ２となるレーザビーム１９の領域の面積である。例えば、レーザビーム１９が楕円形状を有する場合、レーザビーム１９のピーク光強度の１／ｅ２となるレーザビーム１９の領域は、ファスト軸方向に長径Ｗｘ（図３を参照）を有し、かつ、スロー軸方向に短径Ｗｙ（図４を参照）を有する楕円形状を有する。そのため、レーザビーム１９の断面積は、長径Ｗｘ及び短径Ｗｙを有する楕円の面積によって与えられる。
　レンズ２４ａの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、レンズ２３ａの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度より大きい。レンズ２３ａの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度は、例えば、３００Ｗ／ｃｍ２未満である。レンズ２４ａの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、例えば、３００Ｗ／ｃｍ２以上である。レンズ２４ａの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、例えば、レンズ２３ａの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度の２倍以上である。本明細書において、レーザビーム１９のパワー密度は、レーザビーム１９のパワーをレーザビーム１９の断面積で除算することによって与えられる。
　レンズ２３ａは、第１硝材で形成されている。レンズ２４ａは、第２硝材で形成されている。第２硝材の第２エネルギーギャップは、第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい。例えば、第１エネルギーギャップは６．６ｅＶ以下であり、第２エネルギーギャップは６．６ｅＶより大きい。第２エネルギーギャップは、例えば、第１エネルギーギャップの１．４倍以上である。第２エネルギーギャップは、例えば、レーザビーム１９の光子エネルギーの２倍より大きい。レーザビーム１９の光子エネルギーＥ（ｅＶ）は、式（１）によって与えられる。ｈはプランク定数を表し、ｃは真空中の光速を表し、ｅは電荷素量を表し、λはレーザビーム１９の波長を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　第１硝材は、例えば、ＢＫ７である。ＢＫ７は、４．５ｅＶから５．７ｅＶの範囲のエネルギーギャップを有している。第２硝材は、例えば、合成石英である。合成石英は、８ｅＶから９ｅＶの範囲のエネルギーギャップを有している。
　ＢＫ７及び合成石英は、可視域の波長（例えば、３８０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の波長）を有する光に対して高い透過率を有している。ＢＫ７は、合成石英よりも、材料費が安く、かつ、加工性に優れている。そのため、ＢＫ７は、合成石英よりも、安価にレンズを製造することを可能にする。ＢＫ７の屈折率は、合成石英の屈折率よりも大きい。そのため、ＢＫ７は、合成石英よりも、レンズ単体のサイズ及びレンズを含む光学系のサイズを減少させることができる。ＢＫ７の屈折率の温度係数は２．６ｐｐｍ／℃であり、合成石英の屈折率の温度係数は１０．６ｐｐｍ／℃である。ＢＫ７の屈折率温度変化は、合成石英の屈折率の温度係数よりも小さい。レンズの硝材としてＢＫ７を用いることによって、レーザ光照射装置の温度変化に対する、レーザ光照射装置からのレーザビームの出力の変動を減少させることができる。
　縮小光学系２２は、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させてもよい。このような縮小光学系２２は、例えば、複数のレーザビーム１９の各々が円形の断面形状を有する場合に適している。
　集光レンズ２６は、縮小光学系２２と光ファイバ３０との間に配置されている。集光レンズ２６は、縮小光学系２２から出射したレーザビーム１９を、光ファイバ３０のコア３１に集光する。集光レンズ２６は、例えば、両凸の正レンズである。集光レンズ２６は、例えば、レンズ２４ａと同じ硝材で形成されている。すなわち、集光レンズ２６は、例えば、第２硝材で形成されている。
　光ファイバ３０は、コア３１と、クラッド３２とを含む。コア３１は、クラッド３２によって囲まれている。コア３１は、クラッド３２より大きい屈折率を有している。複数のレーザ光源１０から放射された複数のレーザビーム１９は、コア３１を伝搬する。複数のレーザビーム１９は、コア３１において合波されて、レーザビーム３５としてコア３１から出射される。光ファイバ３０は、例えば、石英光ファイバである。光ファイバ３０が空気中に配置されているとき、光ファイバ３０の開口数ＮＡ及び光ファイバ３０に結合し得る光の最大入射角θｍａｘは、式（２）によって与えられる。ｎｃｏｒｅはコア３１の屈折率を表し、ｎｃｌａｄはクラッド３２の屈折率を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　［変形例］
　図５を参照して、本実施の形態の変形例のレーザ光照射装置１ｂを説明する。レーザ光照射装置１ｂは、レーザ光照射装置１と同様の構成されているが、縮小光学系２２が複数のレンズ２３ａ，２３ｂ及び複数のレンズ２４ａ，２４ｂを含む点において、レーザ光照射装置１と異なっている。レーザ光照射装置１ｂでは、複数のレンズ２３ａ，２３ｂは第１縮小光学系であり、複数のレンズ２４ａ，２４ｂは第２縮小光学系である。縮小光学系２２は、第１縮小光学系と第２縮小光学系とを含む。第１縮小光学系と第２縮小光学系とは、複数のレーザビーム１９の各々の光軸に沿って直列に配置されている。そのため、複数のレーザ光源１０の数が増加しても、縮小光学系２２は、複数のレーザビーム１９を、光ファイバ３０の開口数ＮＡの範囲内で入射させることができる。
　複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉは、レンズ２３ａの入射面である。複数のレンズ２３ａ，２３ｂの出射面２３ｊは、レンズ２３ｂの出射面である。レンズ２３ａは、正パワーを有している。レンズ２３ａは、例えば、複数のレーザ光源１０側に凸面を向けた平凸レンズである。レンズ２３ｂは、負パワーを有している。レンズ２３ｂは、例えば、光ファイバ３０側に凹面を向けた平凹レンズである。
　複数のレンズ２４ａ，２４ｂの入射面２４ｉは、レンズ２４ａの入射面である。複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊは、レンズ２４ｂの出射面である。レンズ２４ａは、正パワーを有している。レンズ２４ａは、例えば、複数のレーザ光源１０側に凸面を向けた平凸レンズである。レンズ２４ｂは、負パワーを有している。レンズ２４ｂは、例えば、光ファイバ３０側に凹面を向けた平凹レンズである。
　複数のレンズ２３ａ，２３ｂは、ファスト軸方向（ｘ方向）において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させる。複数のレンズ２４ａ，２４ｂも、ファスト軸方向（ｘ方向）において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させる。そのため、複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊにおける複数のレーザビーム１９の各々の第２ビーム断面積は、複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉにおける複数のレーザビーム１９の各々の第１ビーム断面積より小さい。
　複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度より大きい。複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度は、例えば、３００Ｗ／ｃｍ２未満である。複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、例えば、３００Ｗ／ｃｍ２以上である。複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は、例えば、複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度の２倍以上である。
　複数のレンズ２３ａ，２３ｂは、第１硝材で形成されている。第１硝材で形成されているレンズの数は、二つに限られず、三つ以上であってもよい。複数のレンズ２４ａ，２４ｂは、二つに限られず、第２硝材で形成されている。第２硝材で形成されているレンズの数は、三つ以上であってもよい。第２硝材の第２エネルギーギャップは、第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい。例えば、第１エネルギーギャップは６．６ｅＶ以下であり、第２エネルギーギャップは６．６ｅＶより大きい。第２エネルギーギャップは、例えば、第１エネルギーギャップの１．４倍以上である。第２エネルギーギャップは、例えば、レーザビーム１９の光子エネルギーの２倍より大きい。第１硝材は、例えば、ＢＫ７である。第２硝材は、例えば、合成石英である。
　複数のレンズ２３ａ，２３ｂは、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させてもよい。複数のレンズ２４ａ，２４ｂは、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９間の間隔を減少させるとともに、ファスト軸方向（ｘ方向）及びスロー軸方向（ｙ方向）の両方において複数のレーザビーム１９の各々のビームサイズ（例えば、ビーム径）を減少させてもよい。このような縮小光学系２２は、例えば、複数のレーザビーム１９の各々が円形の断面形状を有する場合に適している。
　図６を参照して、本実施の形態のレーザ加工装置２を説明する。レーザ加工装置２は、レーザビーム３５を用いてワーク４０を加工する。具体的には、ワーク４０にレーザビーム３５を照射することによって、ワーク４０は加熱される。ワーク４０を構成する材料が、溶融または蒸発する。こうして、ワーク４０は、レーザビーム３５を用いて加工される。本明細書において、加工は、例えば、溶接と、切断と、ワーク４０に凹部を形成する処理とを含む。レーザ加工装置２は、レーザ光照射装置４１と、照射機構４２と、移動機構４３と、ワーク載置台４４と、コントローラ４５とを備える。
　レーザ光照射装置４１は、レーザ光照射装置１（図１を参照）またはレーザ光照射装置１ｂ（図５を参照）である。ワーク載置台４４に、ワーク４０が載置される。照射機構４２は、集光レンズ（図示せず）を含む。照射機構４２は、光ファイバ３０から出射したレーザビーム３５を、集光レンズによって集光して、ワーク４０に照射する。移動機構４３は、モータ（図示せず）を含む。移動機構４３は、照射機構４２を移動させて、ワーク４０におけるレーザビーム３５の照射領域を移動させる。
　コントローラ４５は、レーザ光照射装置４１と移動機構４３とを制御する。例えば、コントローラ４５は、レーザ光照射装置４１に含まれる複数のレーザ光源１０を制御する。コントローラ４５は、移動機構４３に含まれるモータを制御する。
　コントローラ４５は、例えば、プロセッサと、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）と、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）のような記憶装置とを含むマイクロコンピュータである。プロセッサとして、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）が採用され得る。ＲＡＭは、プロセッサによって処理されるデータを一時的に記憶する作業用メモリとして機能する。記憶装置には、例えば、プロセッサで実行されるプログラムなどが記憶されている。記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することによって、コントローラ４５は、レーザ光照射装置４１と移動機構４３とを制御する。コントローラ４５における各種処理は、ソフトウェアによって実行されることに限られず、専用のハードウェア（電子回路）によって実行されてもよい。
　［本実施の形態の作用］
　図７を参照して、実施例のレーザ光照射装置と比較例のレーザ光照射装置とを対比しながら、本実施の形態のレーザ光照射装置１，１ｂの作用を説明する。実施例のレーザ光照射装置は、本実施の形態の変形例のレーザ光照射装置１ｂと同様に構成されている。実施例のレーザ光照射装置では、複数のレーザ光源１０は青色のレーザビームを放射する青色レーザダイオードであり、第１硝材はＢＫ７で形成されており、第２硝材は合成石英で形成されており、複数のレンズ２３ａ，２３ｂの入射面２３ｉにおけるレーザビーム１９の第１パワー密度は２３１Ｗ／ｃｍ２であり、複数のレンズ２４ａ，２４ｂの出射面２４ｊにおけるレーザビーム１９の第２パワー密度は４８６Ｗ／ｃｍ２である。比較例のレーザ光照射装置は、実施例のレーザ光照射装置と同様に構成されているが、比較例のレーザ光照射装置では、第１硝材及び第２硝材はＢＫ７で形成されている。
　図７に示されるように、比較例のレーザ光照射装置では、レーザビーム３５の照射時間が長くなるにつれて、光ファイバ３０から出力されるレーザビーム３５の強度が大きく低下する。その理由は、以下のように考えられる。
　ＢＫ７のバンドキャップエネエルギーは、レーザビーム１９の光子エネルギーよりも大きい。そのため、ＢＫ７は、基本的に、レーザビーム１９に対して透明であり、レーザビーム１９を吸収しない。しかし、ＢＫ７のバンドキャップエネエルギーは、レーザビーム１９の光子エネルギーの二倍よりも小さい。そのため、複数のレーザ光源１０の各々の光出力が増加して、複数のレンズ２４ａ，２４ｂにおけるレーザビーム１９のパワー密度が大きくなると、複数のレンズ２４ａ，２４ｂにおいて二光子吸収が発生する。二光子吸収によって複数のレンズ２４ａ，２４ｂを形成するガラスの化学結合が切断されて、複数のレンズ２４ａ，２４ｂのガラスの密度が増加する。複数のレンズ２４ａ，２４ｂの屈折率が増加して、結合光学系２０から光ファイバ３０へのレーザビーム１９の結合効率が減少する。複数のレーザ光源１０の各々から放射されるレーザビーム１９を光ファイバ３０により長い期間にわたって安定的に結合させることができない。こうして、光ファイバ３０から出力されるレーザビーム３５の強度が大きく低下する。
　これに対し、実施例のレーザ光照射装置では、レーザビーム３５の照射時間が長くなっても、光ファイバ３０から出力されるレーザビーム３５の強度の低下が抑制されている。その理由は、以下のように考えられる。
　合成石英のバンドキャップエネエルギーは、レーザビーム１９の光子エネルギーの二倍よりも大きい。そのため、複数のレーザ光源１０の各々の光出力が増加して、複数のレンズ２４ａ，２４ｂにおけるレーザビーム１９のパワー密度が大きくなっても、複数のレンズ２４ａ，２４ｂにおいて二光子吸収が発生しない。レーザビーム３５の照射時間が長くなっても、複数のレンズ２４ａ，２４ｂの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系２０から光ファイバ３０へのレーザビーム１９の結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源１０の各々から放射されるレーザビーム１９を光ファイバ３０により長い期間にわたって安定的に結合させることができる。こうして、光ファイバ３０から出力されるレーザビーム３５の強度の低下が抑制される。
　［態様］
　上述した例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
　（第１項）一態様に係るレーザ光照射装置は、複数のレーザ光源と、光ファイバと、結合光学系とを備える。複数のレーザ光源は、各々、レーザビームを放射する。結合光学系は、複数のレーザ光源と光ファイバとの間に配置されており、レーザビームを光ファイバに結合させる。結合光学系は、縮小光学系を含む。縮小光学系は、第１レンズ及び第２レンズを含む。レーザビームの光路において、第１レンズは、第２レンズよりも複数のレーザ光源の近くに配置されている。第２レンズの出射面におけるレーザビームの第２ビーム断面積は、第１レンズの入射面におけるレーザビームの第１ビーム断面積より小さい。第１レンズは、第１硝材で形成されている。第２レンズは、第２硝材で形成されている。第２硝材の第２エネルギーギャップは、第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい。
　そのため、レーザビームの照射時間が長くなっても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第２項）第１項に記載のレーザ光照射装置において、レーザビームは、３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長を有し、第１エネルギーギャップは、６．６ｅＶ以下であり、第２エネルギーギャップは、６．６ｅＶより大きい。
　そのため、レーザビームの照射時間が長くなっても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第３項）第１項または第２項に記載のレーザ光照射装置において、第２硝材は、合成石英である。
　そのため、レーザビームの照射時間が長くなっても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第４項）第１項から第３項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、第１硝材は、ＢＫ７である。
　ＢＫ７は、合成石英よりも、材料費が安く、かつ、加工性に優れている。ＢＫ７の屈折率は、合成石英の屈折率よりも高い。そのため、結合光学系のコスト及びサイズを低減させることができて、レーザ照射装置のコスト及びサイズを低減させることができる。
　（第５項）第１項から第４項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、複数のレーザ光源は、複数のレーザダイオードである。
　そのため、レーザ照射装置のコスト及びサイズを低減させることができる。
　（第６項）第１項から第５項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、第２エネルギーギャップは、レーザビームの光子エネルギーの２倍より大きい。
　そのため、レーザビームの照射時間が長くなっても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第７項）第１項から第５項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、第２エネルギーギャップは、第１エネルギーギャップの１．４倍以上である。
　そのため、レーザビームの照射時間が長くなっても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第８項）第１項から第７項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、第２レンズの出射面におけるレーザビームの第２パワー密度は、第１レンズの入射面におけるレーザビームの第１パワー密度の２倍以上である。
　第２レンズにおけるレーザビームのパワー密度が増加しても、第２レンズの屈折率はほとんど変化せず、結合光学系から光ファイバへのレーザビームの結合効率もほとんど変化しない。複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。
　（第９項）第１項から第８項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、結合光学系は、集光レンズを含む。集光レンズは、縮小光学系と光ファイバとの間に配置されており、かつ、第２硝材で形成されている。
　そのため、複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを、光ファイバに、より高い結合効率で結合させることができる。
　（第１０項）第１項から第９項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置において、結合光学系は、複数のコリメートレンズを含む。複数のコリメートレンズは、複数のレーザ光源と縮小光学系との間に配置されており、かつ、第１硝材で形成されている。
　そのため、複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを、光ファイバに、より高い結合効率で結合させることができる。
　（第１１項）一態様に係るレーザ加工装置は、第１項から第１０項のいずれか一項に記載のレーザ光照射装置を備える。
　レーザ光照射装置では、複数のレーザ光源の各々から放射されるレーザビームを光ファイバにより長い期間にわたって安定的に結合させることができる。そのため、レーザ加工装置によれば、ワークをより長い期間にわたって安定的に加工することができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
　１，１ｂ，４１　レーザ光照射装置、２　レーザ加工装置、９　パッケージ、１０　レーザ光源、１１　基板、１２　下部クラッド層、１３　活性層、１４　上部クラッド層、１５，１６　電極、１７　絶縁層、１９，３５　レーザビーム、２０　結合光学系、２１　コリメートレンズ、２２　縮小光学系、２３ａ，２３ｂ　レンズ、２３ｉ　入射面、２３ｊ　出射面、２４ａ，２４ｂ　レンズ、２４ｉ　入射面、２４ｊ　出射面、２６　集光レンズ、３０　光ファイバ、３１　コア、３２　クラッド、４０　ワーク、４２　照射機構、４３　移動機構、４４　ワーク載置台、４５　コントローラ。

Claims (11)

  1. 　複数のレーザ光源を備え、前記複数のレーザ光源は、各々、レーザビームを放射し、
    　光ファイバと、
    　前記複数のレーザ光源と前記光ファイバとの間に配置されており、前記レーザビームを前記光ファイバに結合させる結合光学系とを備え、
    　前記結合光学系は、縮小光学系を含み、
    　前記縮小光学系は、第１レンズ及び第２レンズを含み、
    　前記レーザビームの光路において、前記第１レンズは、前記第２レンズよりも前記複数のレーザ光源の近くに配置されており、
    　前記第２レンズの出射面における前記レーザビームの第２ビーム断面積は、前記第１レンズの入射面における前記レーザビームの第１ビーム断面積より小さく、
    　前記第１レンズは、第１硝材で形成されており、
    　前記第２レンズは、第２硝材で形成されており、
    　前記第２硝材の第２エネルギーギャップは、前記第１硝材の第１エネルギーギャップよりも大きい、レーザ光照射装置。
  2. 　前記レーザビームは、３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長を有し、
    　前記第１エネルギーギャップは、６．６ｅＶ以下であり、
    　前記第２エネルギーギャップは、６．６ｅＶより大きい、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  3. 　前記第２硝材は、合成石英である、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  4. 　前記第１硝材は、ＢＫ７である、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  5. 　前記複数のレーザ光源は、複数のレーザダイオードである、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  6. 　前記第２エネルギーギャップは、前記レーザビームの光子エネルギーの２倍より大きい、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  7. 　前記第２エネルギーギャップは、前記第１エネルギーギャップの１．４倍以上である、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  8. 　前記第２レンズの前記出射面における前記レーザビームの第２パワー密度は、前記第１レンズの前記入射面における前記レーザビームの第１パワー密度の２倍以上である、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  9. 　前記結合光学系は、集光レンズを含み、
    　前記集光レンズは、前記縮小光学系と前記光ファイバとの間に配置されており、かつ、前記第２硝材で形成されている、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  10. 　前記結合光学系は、複数のコリメートレンズを含み、
    　前記複数のコリメートレンズは、前記複数のレーザ光源と前記縮小光学系との間に配置されており、かつ、前記第１硝材で形成されている、請求項１に記載のレーザ光照射装置。
  11. 　請求項１に記載の前記レーザ光照射装置を備える、レーザ加工装置。
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