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(shí)現(xiàn)，直接用于加工的直接二極管激光(ddl)的加工機(jī)越來(lái)越普及。作為ddl振蕩器，有使用多個(gè)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(gè)波長(zhǎng)并與波長(zhǎng)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(gè)激光二極管分為多個(gè)組，并控制成流經(jīng)每個(gè)組的電流值相同。在一個(gè)組中，例如串聯(lián)連接有30～40個(gè)激光二極管。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2012-174720號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在ddl振蕩器中，通過(guò)結(jié)合光譜光束達(dá)到高輸出、高亮度的目的。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的激光的光譜光束結(jié)合，需要將各波長(zhǎng)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(gè)期望的波長(zhǎng)。

此時(shí)，波長(zhǎng)鎖定效率越高，越能有效地進(jìn)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(zhǎng)鎖定效率，需要選定進(jìn)行接近各鎖定波長(zhǎng)的振蕩的最佳激光二極管材料。然而，制作激光二極管時(shí)，使所有鎖定波長(zhǎng)材料各異是不現(xiàn)實(shí)的。

因此，通常對(duì)各鎖定波長(zhǎng)分配由多種材料制成的激光二極管，以使波長(zhǎng)鎖定效率至少在高輸出時(shí)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(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)移動(dòng)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(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)移動(dòng)。從而，依照高輸出時(shí)調(diào)整波長(zhǎng)的材料所存在的問(wèn)題是，波長(zhǎng)鎖定效率即使在高輸出時(shí)高，但低輸出時(shí)波長(zhǎng)會(huì)向低波長(zhǎng)側(cè)移動(dòng)，因此有時(shí)難以維持高的波長(zhǎng)鎖定效率。

激光輸出相對(duì)于未進(jìn)行波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)高輸出化，與低輸出時(shí)的溫度差就變得越大，波長(zhǎng)移動(dòng)量也隨之變大，因而存在著波長(zhǎng)鎖定時(shí)低輸出時(shí)的效率變低的傾向。由于這個(gè)原因，激光輸出相對(duì)于ddl振蕩器的各個(gè)組的激光二極管的輸入電流的關(guān)系不會(huì)成線性，而是具有在低輸出時(shí)呈下凸曲線狀的特性。

波長(zhǎng)鎖定效率低、在鎖定波長(zhǎng)之外的波長(zhǎng)振蕩的激光，偏離原來(lái)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(wú)法最大限地發(fā)揮半導(dǎo)體激光振蕩器的性能。

本實(shí)施方式的目的在于提供一種在通過(guò)波長(zhǎng)鎖定而進(jìn)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(shí)也能維持高效率的波長(zhǎng)鎖定的半導(dǎo)體激光振蕩器。

根據(jù)本實(shí)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(gè)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(gè)激光二極管構(gòu)成一個(gè)組，所述半導(dǎo)體激光振蕩器還具備：控制部，其與波長(zhǎng)鎖定效率的特性對(duì)應(yīng)地分別控制向所述多個(gè)組中的每個(gè)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(shí)施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器，在通過(guò)波長(zhǎng)鎖定而進(jìn)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(shí)也能維持高效率的波長(zhǎng)鎖定。

附圖說(shuō)明

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

圖2是表示一實(shí)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(shuō)明設(shè)定于圖2中的ddl單元的組的說(shuō)明圖。

圖5是用于說(shuō)明波長(zhǎng)鎖定效率的特性因激光波長(zhǎng)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(shí)施方式中與指令輸出值對(duì)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(jì)激光輸出)的關(guān)系的特性圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖說(shuō)明一實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器。首先，說(shuō)明具備一實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器的激光加工機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和動(dòng)作。

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

激光加工機(jī)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(chēng)ddl振蕩器11。ddl振蕩器11的具體結(jié)構(gòu)和動(dòng)作，將在后面詳述。激光振蕩器11只要具有波長(zhǎng)鎖定機(jī)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(tái)21、在加工臺(tái)21上在x軸方向上自由移動(dòng)的門(mén)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(dòng)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(zhǔn)直單元29。

準(zhǔn)直單元29具有準(zhǔn)直透鏡28和彎曲鏡(bendmirror)25，其中，所述準(zhǔn)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(zhǔn)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(huì)聚。

準(zhǔn)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(zhǔn)直單元29內(nèi)。為了校正焦點(diǎn)位置，準(zhǔn)直透鏡28也可以在x軸方向上移動(dòng)。

準(zhǔn)直單元29固定于在y軸方向上自由移動(dòng)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(dòng)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(dòng)。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在激光加工機(jī)100中，通過(guò)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(duì)被加工材料w進(jìn)行切割加工。

此外，對(duì)被加工材料w進(jìn)行切割加工時(shí)，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(shuō)明ddl振蕩器11的具體結(jié)構(gòu)和動(dòng)作。如圖2所示，ddl振蕩器11具有：ddl單元11u1～11un這n個(gè)ddl單元、和對(duì)從ddl單元11u1～11un中的各單元射出的激光進(jìn)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(duì)ddl振蕩器11進(jìn)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(jì)算機(jī)構(gòu)成。

此處，將未確定ddl單元11u1～11un中某一個(gè)的ddl單元稱(chēng)作ddl單元11u。ddl單元11u的個(gè)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(gè)時(shí)，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(gè)激光二極管模塊。

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

各激光二極管模塊um由多個(gè)激光二極管串聯(lián)連接而構(gòu)成。例如，激光二極管的個(gè)數(shù)是14個(gè)。通過(guò)激光二極管模塊um鎖定的激光的波長(zhǎng)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(shù)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(guò)準(zhǔn)直透鏡u12被平行光化而成為大致平行光束。從準(zhǔn)直透鏡u12射出的各個(gè)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(shí)，向光柵u13的入射角度取決于激光入射準(zhǔn)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(guò)外部諧振器和光柵u13對(duì)激光進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定。光柵u13除了波長(zhǎng)鎖定的功能外，還具有光譜光束結(jié)合的功能。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)和動(dòng)作，從ddl單元11u輸出鎖定于多個(gè)波長(zhǎng)的、具有如圖那樣的波長(zhǎng)光譜sp1的激光。

在ddl單元11u中，設(shè)定有并聯(lián)連接的多個(gè)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(shí)施方式中，設(shè)為ddl單元11u中設(shè)定有2個(gè)組。組的數(shù)量也可以是3個(gè)以上。

如圖4所示，各個(gè)組中串聯(lián)連接有多個(gè)激光二極管模塊um。圖4中，串聯(lián)連接有2個(gè)激光二極管模塊um，但也可以串聯(lián)連接3個(gè)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(gè)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(zhǎng)λ1～λ4各個(gè)波長(zhǎng)的激光。此外，圖2中的ddl單元11u1～11un作為整體輸出例如波長(zhǎng)910nm～950nm的激光。

此處，利用圖5說(shuō)明波長(zhǎng)鎖定效率的特性因激光的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)鎖定效率低。

當(dāng)向由具有圖5所示波長(zhǎng)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(shí)，激光輸出相對(duì)于輸入電流具有圖6所示特性。在圖6中，一點(diǎn)鎖線表示輸出鎖定為波長(zhǎng)λ1、λ2的波長(zhǎng)的激光的組1中與輸入電流對(duì)應(yīng)的激光輸出特性，虛線表示輸出鎖定為波長(zhǎng)λ3、λ4的波長(zhǎng)的激光的組2中與輸入電流對(duì)應(yīng)的激光輸出特性，實(shí)線表示ddl單元11u(組1、組2的合計(jì))的輸出特性。

理想地，輸入電流與激光功率的關(guān)系，如二點(diǎn)鎖線所示，為線性。然而，當(dāng)結(jié)合一點(diǎn)鎖線所示的特性和虛線所示的特性時(shí)，如實(shí)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(shí)施方式中，如圖7所示對(duì)組1、2進(jìn)行控制。如上所述，向組1分配低輸出至高輸出為止波長(zhǎng)鎖定效率高的波長(zhǎng)λ1、λ2，向組2分配低輸出時(shí)波長(zhǎng)鎖定效率低的波長(zhǎng)λ3、λ4。

如圖7所示，控制部114對(duì)組1指令功率，以便如一點(diǎn)鎖線所示那樣從低輸出至高輸出為止輸出激光功率。詳細(xì)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(shí)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(duì)組2指令功率，以便如虛線所示那樣將低輸出時(shí)輸出的激光功率設(shè)為0，在中輸出以上時(shí)輸出激光功率。詳細(xì)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(shí)，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(duì)組1、2進(jìn)行控制，從而能夠在ddl單元11u整體中如實(shí)線所示那樣輸出，能夠設(shè)為接近二點(diǎn)鎖線所示的理想特性的特性。

如上所述，由于按組進(jìn)行輸入電流控制，因此將低輸出時(shí)波長(zhǎng)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(shí)進(jìn)行控制?？刂撇?14與波長(zhǎng)鎖定效率的特性對(duì)應(yīng)地分別控制向多個(gè)組中的各個(gè)組的激光二極管的輸入電流。

為控制部114分別控制向多個(gè)組中的各個(gè)組的激光二極管的輸入電流，以便使合成多個(gè)組中的各個(gè)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(zhǎng)鎖定效率維持得高。

具體地，當(dāng)多個(gè)組包括輸入電流為0至預(yù)定值為止的低電流時(shí)的波長(zhǎng)鎖定效率為第一狀態(tài)的第一組、以及波長(zhǎng)鎖定效率為低于第一狀態(tài)的第二狀態(tài)的第二組時(shí)，控制部114進(jìn)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(shí)為止將ddl單元11u整體所要求的輸出設(shè)為0。

根據(jù)本實(shí)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(shí)的波長(zhǎng)鎖定效率，同時(shí)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(shí)的電力浪費(fèi)。

此外，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光振蕩器，可以防止受波長(zhǎng)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(shuō)明的本實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，可以實(shí)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(gè)單發(fā)射器的激光二極管進(jìn)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(gè)二極管激光條進(jìn)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。