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WO2022163245A1 - 光共振器及びレーザ加工装置 - Google Patents

光共振器及びレーザ加工装置 Download PDF

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Publication number
WO2022163245A1
WO2022163245A1 PCT/JP2021/047969 JP2021047969W WO2022163245A1 WO 2022163245 A1 WO2022163245 A1 WO 2022163245A1 JP 2021047969 W JP2021047969 W JP 2021047969W WO 2022163245 A1 WO2022163245 A1 WO 2022163245A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
optical system
light source
light
light beam
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/JP2021/047969
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏基 市橋
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.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Holdings 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 Panasonic Holdings Corp filed Critical Panasonic Holdings Corp
Publication of WO2022163245A1 publication Critical patent/WO2022163245A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • 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
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02255—Out-coupling of light using beam deflecting elements
    • 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
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical resonator that resonates a plurality of light beams, and a laser processing apparatus that includes the optical resonator.
  • Patent Document 1 discloses a wavelength combining laser system that superimposes individual light beams to form a combined beam. Patent Document 1 discloses condensing light beams from a plurality of diode bars onto an optical fiber from the viewpoint of increasing light output. Also, for the purpose of downsizing the laser system, an optical system is separately included for removing the arrangement of the coupling lens in wavelength synthesis from the focal length, or the beam rotator is rotated.
  • the present disclosure provides an optical resonator and a laser processing apparatus capable of improving the efficiency of resonating light beams having multiple wavelengths.
  • the optical resonator resonates multiple light beams having different wavelengths.
  • An optical resonator comprises a light source, a diffraction grating, an output coupler, and an optical system.
  • the light source includes a plurality of light source elements each emitting a plurality of light beams.
  • the diffraction grating diffracts each light beam at an angle corresponding to the wavelength of the light beam from each light source element.
  • the output coupler reflects a portion of the light beam diffracted at the grating back to the light source and outputs the remainder of the light beam.
  • the optical system includes one or more lenses disposed between the light source and the diffraction grating to collimate each light beam incident from the light source and output to the diffraction grating.
  • the optical system has a diffractive surface that diffracts each light beam so as to adjust chromatic aberration across the wavelengths of the multiple light beams.
  • a laser processing apparatus includes the optical resonator described above and a processing head that irradiates an object to be processed with a light beam output from an output coupler of the optical resonator.
  • optical resonator and laser processing apparatus of the present disclosure it is possible to improve the efficiency of resonating light beams having multiple wavelengths.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of the optical resonator according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a side view illustrating the configuration of the optical resonator according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 illustrates the configuration of an LD array in an optical resonator;
  • FIG. 2 is a side view illustrating the configuration of an optical unit in an optical resonator;
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating the configuration of a beam twister in an optical unit; Plan view of beam twister unit in optical unit A diagram illustrating the configuration of a collimator optical system in an optical resonator Diagram explaining how light beams are combined in the diffraction grating of the optical resonator A diagram for explaining the problem of coupling efficiency of return light in an optical resonator. Diagram for explaining correction of chromatic aberration in an optical cavity The figure which shows the numerical example of the diffraction surface of a collimator optical system. A diagram showing a numerical example of the diffractive surface following FIG. A diagram showing a numerical example of the diffractive surface following FIG. Graph showing measurement results of diffraction efficiency on the diffraction surface of the collimator optical system Graph illustrating axial chromatic aberration in the collimator optical system of the modified example
  • Embodiment 1 In Embodiment 1, a wavelength-combining optical resonator and a laser processing apparatus including the same will be described.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus 1 according to this embodiment.
  • the laser processing apparatus 1 includes, for example, an optical resonator 2, a transmission optical system 10, a processing head 11, and a controller 12, as shown in FIG.
  • the laser processing apparatus 1 is an apparatus for performing various laser processing by irradiating various processing objects 15 with laser light.
  • Various laser processes include, for example, laser welding, laser cutting, and laser drilling.
  • the optical resonator 2 generates laser light that is output from the laser processing apparatus 1, for example.
  • the optical resonator 2 is a wavelength combining type external resonator that resonates and synthesizes a plurality of light beams at each wavelength. According to the wavelength combining type optical resonator 2, it is easy to obtain good beam quality and narrow the beam diameter.
  • the optical resonator 2 includes a laser light source 13 including a plurality of laser elements 31 to 33, an output coupler 14 for emitting output light L1, and an optical system arranged between 14 .
  • the optical system includes, for example, the diffraction grating 20 and a collimator optical system 25 for collimating each light beam incident on the diffraction grating 20 .
  • the optical resonator 2 of this embodiment resonates each light beam of a specific wavelength band on the optical path that goes back and forth between the laser light source 13 and the output coupler 14 via such an optical system.
  • the wavelength-combining optical resonator 2 by securing a wide wavelength band in which light beams resonate, that is, a resonant wavelength band, for example, a large number of laser elements 31 to 33 can be used, and the optical output can be increased.
  • a resonant wavelength band for example, a large number of laser elements 31 to 33 can be used, and the optical output can be increased.
  • FIG. 1 three laser elements 31, 32, and 33 in the laser light source 13 are illustrated.
  • the number of laser elements 31 to 33 included in the laser light source 13 is, for example, several tens to several hundred.
  • the configuration of the collimator optical system 25 in the optical resonator 2 of this embodiment can solve the problem of oscillation efficiency that may occur when using a wide resonant wavelength band (details will be described later).
  • the transmission optical system 10 is an optical system that transmits the laser light from the optical resonator 2 to the processing head 11, and includes, for example, an optical fiber.
  • the processing head 11 is, for example, a device that is arranged to face an object 15 to be processed and that irradiates the object 15 with laser light transmitted from the optical resonator 2 .
  • the controller 12 is a control device that controls the overall operation of the laser processing device 1.
  • the controller 12 has a CPU or MPU that cooperates with software to realize a predetermined function, for example.
  • the controller 12 may include an internal memory that stores various programs and data, and various interfaces that allow the user to input oscillation conditions and the like.
  • the controller 12 may include hardware circuits such as ASICs and FPGAs that implement various functions. Also, the controller 12 may be configured integrally with the driving circuit of the light source.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of the optical resonator 2 in this embodiment.
  • FIG. 3 shows a side view of the optical resonator 2 of FIG.
  • the optical axis direction of the light beam output from the output coupler 14 of the optical resonator 2 is defined as the Z direction
  • the two directions orthogonal to the Z direction and mutually orthogonal are defined as the X and Y directions.
  • 2 illustrates the optical resonator 2 viewed from the +Y side
  • FIG. 3 illustrates the optical resonator 2 viewed from the -X side.
  • the optical resonator 2 of this embodiment includes a plurality of LD (laser diode) arrays 3-1 to 3-3 constituting a laser light source 13, and each LD array 3-1 to 3- A plurality of optical units 4-1 to 4-3 provided corresponding to 3 are provided. Furthermore, the optical resonator 2 includes a plurality of mirrors 21 to 23, a collimator optical system 25, a half-wave plate 24, a diffraction grating 20, a telescope optical system 26, and an output coupler 14.
  • LD laser diode
  • the optical resonator 2 of this configuration example for example, as shown in FIG. It has a two-stage configuration with a stage on the +Y side arranged on the plane. With such a two-stage configuration, the optical resonator 2 can be miniaturized.
  • FIG. 2 and 3 illustrate three LD arrays 3-1, 3-2, and 3-3 corresponding to three laser elements 31, 32, and 33.
  • FIG. The number of LD arrays 3-1 to 3-3 included in the laser light source 13 is, for example, eleven.
  • the LD arrays 3-1 to 3-3 are collectively referred to as "LD array 3”
  • the optical units 4-1 to 4-3 are collectively referred to as "optical unit 4”.
  • the laser elements 31 to 33 may be collectively referred to as "laser element 30" (see FIG. 4).
  • FIG. 4 illustrates the configuration of the LD array 3 in the optical resonator 2.
  • FIG. The LD array 3 is, for example, an array in which a plurality of laser elements 30 are arranged one-dimensionally.
  • the direction in which the laser elements 30 are arranged in the LD array 3 will be referred to as the "Xi direction”
  • the direction of the optical axis of the light beam emitted from the LD array 3 will be referred to as the "Zi direction”.
  • Each LD array 3 is arranged, for example, so that the Xi and Zi directions are orthogonal to the Y direction.
  • the LD array 3 is composed of direct diode lasers, for example.
  • a rear (that is, ⁇ Zi side) facet of the LD array 3 is coated with a high reflectance coating having a reflectance of 99.9% or more, for example.
  • An anti-reflection coating with a transmittance of 99.9% or more is applied to the front (that is, +Zi side) facet of the LD array 3, for example.
  • FIG. 4 illustrates apertures (also referred to as "LD apertures") through which the five laser elements 30 emit light beams in the LD array 3 .
  • the number of laser elements 30 included in one LD array 3 is, for example, several tens to several hundred.
  • a plurality of laser elements 30 in the LD array 3 have a common spontaneous emission spectrum according to, for example, the material of the LD emission layer.
  • the spectrum corresponds, for example, to the resonance wavelength band and includes, for example, wavelengths of 405 nm to 445 nm.
  • the LD array 3 emits a light beam having a fast axis with a relatively large divergence angle and a slow axis with a relatively small divergence angle from each laser element 30 (see FIG. 5).
  • the fast axis of the light beam expands the beam diameter more rapidly than the slow axis and tends to achieve good beam quality.
  • Each laser element 30 is an example of a light source element forming an emitter of the LD array 3, and emits a light beam to the +Zi side.
  • the optical unit 4 is an optical system that adjusts and guides a plurality of light beams from each laser element 30 of the LD array 3 .
  • the optical unit 4 includes a BTU (beam twister unit) 40, a SAC (slow axis collimator) 45, and a mirror 46 in order toward the +Zi side.
  • the optical unit 4 is arranged on the +Zi side of the LD array 3 .
  • each light beam from the LD array 3 is collimated about the fast axis and the slow axis, and the slow axis is oriented in the Y direction. Details of such an optical unit 4 will be described later.
  • the mirror 46 of each optical unit 4 reflects the light beam from the corresponding LD array 3 to the -Z side and emits it toward the mirror 21 .
  • the mirror 46 of the optical unit 4 is arranged parallel to the Y direction and at a predetermined angle to the Xi direction.
  • the angle of the mirror 46 is set for each optical unit 4 so that the light beams from each LD array 3 are focused on the diffraction grating 20 with the fast axis directed in the X direction, for example 44 degrees or more. 72 degrees or less.
  • the mirrors 21 and 22 are arranged opposite to each other on the -Z side and the +Z side, for example, and are oriented parallel to each other.
  • the orientation of each mirror 21, 22 is, for example, parallel to the X direction and has a predetermined tilt angle with respect to the Y direction.
  • the tilt angles of the mirrors 21 and 22 are set in consideration of the optical path in the two-stage structure of the optical resonator 2, and are, for example, 4 degrees.
  • the mirror 21 reflects light between the mirror 46 of each optical unit 4 and the mirror 22 .
  • the mirror 21 reflects each light beam incident from the mirror 46 of each optical unit 4 toward the +Y side by the tilt angle, and emits it toward the mirror 22 (FIG. 3).
  • the mirror 22 reflects each light beam incident from the mirror 21 to the -Z side, and emits the light beam so as to converge on the XZ plane.
  • Mirror 22 has a smaller size than mirror 21, for example.
  • a collimator optical system 25 On the -Z side of the mirror 22, a collimator optical system 25, a half-wave plate 24 and a diffraction grating 20 are arranged in order along the Z direction. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of light beams enter the collimator optical system 25 while being aligned with each other in the X direction.
  • the collimator optical system 25 includes one or more lenses, collimates each light beam incident from each LD array 3 via the mirror 22 or the like again in the fast axis, that is, in the X direction, and emits it toward the diffraction grating 20. do.
  • Each optical path length between the collimator optical system 25 and the BTU 40 of each optical unit 4 is set to substantially match the focal length (denoted as "f") of the collimator optical system 25, for example.
  • the optical path length between the collimator optical system 25 and the diffraction grating 20 can be set to the focal length f of the collimator optical system 25 or less.
  • the collimator optical system 25 is configured to suppress chromatic aberration in the wavelength band in which the light beam resonates, that is, in the resonance wavelength band. Details of the collimator optical system 25 will be described later.
  • the half-wave plate 24 rotates the polarization of the incident light beam by 90 degrees. For example, if the light beam is linearly polarized light parallel to the X direction, it is converted into linearly polarized light parallel to the Y direction.
  • the half-wave plate 24 can appropriately control the polarization of the light beam from the viewpoint of the diffraction efficiency of the diffraction grating 20 .
  • the half-wave plate 24 may be arranged not only between the collimator optical system 25 and the diffraction grating 20 but also on the +Z side of the collimator optical system 25, for example.
  • the diffraction grating 20 is composed of, for example, a transmissive dispersive element, and diffracts incident light at a diffraction angle corresponding to its wavelength.
  • the diffraction grating 20 has, for example, a periodic structure with a predetermined pitch in the XZ cross section.
  • the periodic structure of the diffraction grating 20 may have, for example, a rectangular wave shape, a triangular wave shape, or a sawtooth shape in cross section.
  • the diffraction grating 20 is not limited to a transmissive type, and may be of a reflective type.
  • the mirror 23 reflects light between the diffraction grating 20 and the telescope optical system 26.
  • the mirror 23 is arranged so that the reflected light of the light beams combined at the diffraction grating 20 travels in the Z direction and enters the telescope optical system 26 .
  • the telescope optical system 26 includes, for example, cylindrical lenses 26a and 26b having positive optical power in the X direction and a cylindrical lens 26c having negative optical power in the X direction.
  • the telescope optical system 26 reduces, for example, the beam diameter in the X direction of the light beam from the mirror 23 and emits it to the output coupler 14 .
  • the telescopic optics 26 can reduce the angular error sensitivity of the output coupler 14 about the fast axis of the light beam.
  • the output coupler 14 is composed of, for example, a partially reflective mirror having predetermined transmittance and reflectance, and is arranged parallel to the XY plane.
  • the reflectance of the output coupler 14 is set to, for example, about 2% to 6%.
  • a transmission component corresponding to the transmittance is emitted to the transmission optical system 10 (FIG. 1), for example, as laser light output from the optical resonator 2.
  • FIG. 1 the reflected component corresponding to the reflectance is returned so as to travel backward through the telescope optical system 26 and the like due to optical resonance.
  • the output coupler 14 may be provided with a mechanism capable of adjusting such reflectance and transmittance.
  • the light beams from the laser elements 30 of the large number of LD arrays 3 can be resonated together to increase the light output. Further, by using various mirrors 46, 21 to 23 to fold the optical paths of the respective light beams, the optical resonator 2 can be made compact.
  • the optical resonator 2 is not limited to the above configuration example.
  • the optical resonator 2 may further include an optical element such as a prism, or various optical elements such as the mirrors 46, 21 to 23 may be omitted as appropriate.
  • FIG. 5 shows a side view of the optical unit 4 viewed from the -Xi side.
  • FIG. 5 exemplifies the optical path of the light beam from one laser element 30, omitting illustration of the mirror 46 and the like.
  • a BTU 40 in the optical unit 4 includes a FAC (fast axis collimator) 41 and a BT (beam twister) 42 .
  • the FAC 41, BT 42 and SAC 45 are arranged in order from the vicinity of the laser element 30 to the +Zi side.
  • the fast axis Af of the light beam is oriented in the Y direction and the slow axis As is oriented in the Xi direction.
  • the FAC 41 is provided for collimating the light beam on the fast axis Af, and is composed of, for example, a cylindrical lens with positive optical power.
  • the FAC 41 is arranged at a focal distance from the +Zi side end face of the LD array 3 with its longitudinal direction directed in the Xi direction.
  • the light beam from the laser element 30 is collimated in the Y direction (that is, the fast axis Af) by the FAC 41 and enters the BT 42 .
  • Fig. 6 shows a configuration example of BT42.
  • the BT 42 is an optical element that rotates a plurality of light beams, for example, and includes a plurality of oblique lens portions 43 .
  • the oblique lens portion 43 is a portion that forms a lens for each laser element 30 in the BT 42, and forms, for example, a cylindrical lens. Note that the BT 42 and the FAC 41 may be provided separately.
  • the BT 42 is formed, for example, by arranging a plurality of oblique lens portions 43 at a predetermined pitch in the Xi direction.
  • the oblique lens portion 43 is tilted by 45 degrees with respect to both the arrangement direction (that is, the Xi direction) and the thickness direction of the BT 42 (that is, the Y direction). 30 rotates by a predetermined minute angle around the optical axis.
  • the minute angle is, for example, 0.01 degrees or less. Note that the BT 42 does not have to have such a small angle.
  • the BT 42 rotates the light beam incident from the laser element 30 via the FAC 41 by a rotation angle of 90 degrees on the XiY plane.
  • the slow axis As of the light beam emitted from the BT 42 is oriented in the Y direction
  • the fast axis Af is oriented in the Xi direction.
  • the light beam emitted from the BT 42 becomes divergent light in the Y direction and parallel light in the Xi direction.
  • FIG. 7 shows a plan view of the BTU 40 viewed from the +Y side.
  • FIG. 7 illustrates optical paths of respective light beams from the central laser element 30 and the -Xi side laser element 30 in the LD array 3 .
  • the minute angle of the BT 42 described above as shown in FIG. 7, the more the position of the laser element 30 in the LD array 3 is on the outside, the more the light beam can be directed inward (see Patent Document 1).
  • the SAC 45 is provided for collimating the light beam on the slow axis As, and is composed of, for example, a cylindrical lens with positive optical power.
  • the SAC 45 is arranged at a focal distance from the +Zi side surface of the BTU 40 with its longitudinal direction directed in the Xi direction.
  • the light beam from BT 42 is collimated in the Y direction (ie slow axis As) by SAC 45 and exits optical unit 4 .
  • the light beam emitted from each laser element 30 of the LD array 3 is basically collimated on the fast axis Af and the slow axis As.
  • the beam diameter may widen due to the influence of waves from the +Zi side surface of the BT 42 or the like.
  • collimation of each light beam by the collimator optical system 25 makes it possible to suppress the above effects.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the collimator optical system 25 in the optical resonator 2 of this embodiment.
  • the collimator optical system 25 of this embodiment includes, for example, a diffractive lens 50 and a refractive lens 55, as shown in FIG.
  • the collimator optical system 25 has, for example, a positive optical power in the X direction in the optical resonator 2 and no particular optical power in the Y direction.
  • the diffractive lens 50 and the refractive lens 55 are arranged in order from the +Z side to the -Z side with a predetermined distance d (eg, 1 mm), for example.
  • the diffractive lens 50 is configured by providing a diffractive surface 51 on a lens material having translucency in the resonant wavelength band of the optical resonator 2, for example.
  • Diffractive surface 51 is configured to provide optical power by diffraction of incident light.
  • the diffractive surface 51 is provided on the opposite side of the refracting lens 55 , for example.
  • the surface opposite to the diffraction surface 51 and facing the refractive lens 55 is, for example, a flat surface.
  • the diffractive lens 50 Based on the diffractive surface 51, the diffractive lens 50 has positive optical power in the X direction and no particular optical power in the Y direction. The optical power of the diffraction lens 50 in the X direction is smaller than that of the collimator optics 25 .
  • the diffractive lens 50 has a focal length fa corresponding to such optical power and a dispersion va due to the diffractive surface 51 .
  • the surface opposite to the diffractive lens 50 is a convex refracting surface, and the surface facing the diffractive lens 50 is a flat surface.
  • the refracting lens 55 is made of a lens material having translucency in the resonant wavelength band.
  • the refractive lens 55 has a refractive index n due to the lens material and a dispersion vb according to the wavelength dependence of the refractive index n.
  • the lens material of the diffractive lens 50 and the lens material of the refractive lens 55 may be the same.
  • the wavelength dependence of the dispersion va by the diffractive surface 51 generally has an opposite tendency to the dispersion vb of the refractive lens 55 .
  • the optical resonator 2 of this embodiment by providing the diffraction surface 51 in the collimator optical system 25, at least part of the chromatic aberration of the refractive lens 55 can be offset or corrected, and chromatic aberration at the resonant wavelength can be suppressed.
  • the two-lens structure of the diffraction lens 50 and the refraction lens 55 as described above facilitates the manufacture of the collimator optical system 25 .
  • the diffractive surface 51 of the diffractive lens 50 is configured with a periodic structure in which, for example, stepped unevenness is repeated in the X direction.
  • the periodic structure of the diffractive surface 51 includes, for example, a plurality of unit structures 52 forming unevenness for one period.
  • FIG. 8 shows displacement in the Z direction, ie, sag amount, and position x in the X direction, with the center of the diffraction surface 51 as the origin.
  • the unit structure 52 has, for example, a predetermined number of steps (eg, 4 to 16 steps) of steps xn.
  • the periodic structure of the diffractive surface 51 is defined, for example, by the sag amount of each step xn of the unit structure 52 and is symmetrically formed on the ⁇ X side from the central optical axis of the diffractive lens 50 .
  • the width (that is, period) of the unit structures 52 in the X direction becomes shorter toward the outer unit structures 52 in the diffractive lens 50 .
  • the amount of sag is set to be lower on the outer side than on the inner side.
  • the periodic structure of the diffractive surface 51 is not limited to a staircase shape, and may be, for example, a sawtooth shape or various wave shapes. Numerical examples of the optical resonator 2 for the collimator optical system 25 as described above will be described later.
  • the laser processing apparatus 1 (FIG. 1) of the present embodiment drives the laser light source 13 of the optical resonator 2 based on, for example, oscillation conditions set by the controller 12 to cause the optical resonator 2 to generate laser light.
  • the laser processing apparatus 1 irradiates a laser beam generated in the optical resonator 2 from the processing head 11 to the processing object 15 under the control of the controller 12, for example, to perform various laser processing.
  • the laser light source 13 of the optical resonator 2 optically emits light beams from the laser elements 31 to 33 in the LD arrays 3-1 to 3-3 as illustrated in FIG. Output to units 4-1 to 4-3.
  • a plurality of light beams from each LD array 3 travel through optical paths via the optical unit 4 and various mirrors 21 and 22 and enter the collimator optical system 25 .
  • the beam diameter of the fast axis Af of each light beam can gradually widen from the middle of the optical unit 4, for example, while the light path travels. Therefore, the collimator optical system 25 collimates each light beam from each LD array 3 of the laser light source 13 in the X direction and emits it toward the diffraction grating 20 . Further, the optical paths are set for each light beam so that, for example, the more the light beams travel, the closer they are to each other in the X direction and the light beams are condensed at the diffraction grating 20 (see FIG. 2).
  • the diffraction grating 20 diffracts light so that light having a wavelength ⁇ is incident at an incident angle ⁇ and emitted at a diffraction angle ⁇ according to a diffraction condition such as the following equation (2).
  • a diffraction condition such as the following equation (2).
  • d is the pitch of the diffraction grating 20
  • m is the diffraction order.
  • 9A and 9B are diagrams illustrating a method of coupling light beams in the diffraction grating 20 of the optical resonator 2.
  • ⁇ 2 and ⁇ 3 are set.
  • the light beams from the plurality of LD arrays 3 are emitted from the diffraction grating 20 in the same direction after being diffracted along the optical paths illustrated in FIG.
  • the combined light beams enter the output coupler 14 via telescopic optics 26, for example.
  • the output coupler 14 reflects a portion of the light beams combined at the diffraction grating 20 and returns them to each laser element 30 by reversing the telescope optical system 26 and the like.
  • Each of the separated light beams further travels backward through the collimator optical system 25 and the like, and is returned to the laser elements 31, 32, and 33 from which they are incident.
  • the optical resonator 2 of this embodiment can resonate the light beams of the multiple laser elements 31 to 33 together in a wide resonant wavelength band ⁇ 1 to ⁇ 3 to obtain a high optical output.
  • the resonance wavelength ⁇ is set separately for each laser element 30 of each LD array 3, for example.
  • the difference in resonance wavelength ⁇ between the laser elements 30 in one LD array 3 is, for example, about several nm.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the problem of return light coupling efficiency in an optical resonator.
  • a graph G1 shows the coupling efficiency of return light in a typical optical resonator provided with a conventional collimator optical system in the same resonance wavelength band as the optical resonator 2 of this embodiment.
  • Conventional collimator optics typically consist only of refractive lenses.
  • FIG. 10 illustrates the relationship between the spots S1 and S2 of the returned light corresponding to the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 in the graph G1 and the LD aperture 30a.
  • This example shows the case where the optical resonator is set so that the spot S2 of the return light converges at the LD aperture 30a at the reference wavelength ⁇ 2 (for example, 425 nm) such as the center of the resonance wavelength bands ⁇ 1 to ⁇ 3.
  • the return light coupling efficiency at the reference wavelength ⁇ 2 is relatively high.
  • the coupling efficiency of the returned light decreases as the distance from the reference wavelength ⁇ 2 increases.
  • the spot S1 of the return light at the wavelength ⁇ 1 at the edge protrudes significantly from the LD aperture 30a in the direction of the fast axis.
  • the conventional optical resonator has a problem that the coupling efficiency of the return light decreases depending on the resonance wavelength, so that it is difficult to increase the oscillation efficiency in the entire resonance wavelength band ⁇ 1 to ⁇ 3. .
  • the inventors of the present application conducted extensive research on this problem, and found that the cause was the chromatic aberration of the collimator optical system, and came up with the optical resonator 2 of the present embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining correction of chromatic aberration in the optical resonator 2 of this embodiment.
  • FIG. 11A illustrates graphs G11 and G12 of chromatic aberration in the collimator optical system.
  • FIG. 11B shows a graph G2 of the return light coupling efficiency in the optical resonator 2 of this embodiment.
  • FIG. 11A shows a chromatic aberration graph G11 of a conventional collimator optical system and a chromatic aberration graph G12 of the collimator optical system 25 of this embodiment.
  • the horizontal axis indicates the wavelength in nm, and the vertical axis indicates the longitudinal chromatic aberration in mm.
  • the collimator optical system 25 in the optical resonator 2 of the present embodiment suppresses axial chromatic aberration in the resonance wavelength band ⁇ 1 to ⁇ 3 more than the conventional one, and corrects it with high precision.
  • a collimator optical system 25 can converge the return lights of various wavelengths over the resonance wavelength bands ⁇ 1 to ⁇ 3 at the same focal length f in the optical resonator 2 and converge the respective spots at the respective LD apertures.
  • sufficiently high coupling efficiency of the returned light can be ensured over various resonance wavelengths ⁇ in the resonance wavelength bands ⁇ 1 to ⁇ 3.
  • the oscillation efficiency of the optical resonator 2 can be increased.
  • the optical resonator 2 of the present embodiment is set, for example, so that the collimator optical system 25 satisfies the achromatic condition in the resonant wavelength band ⁇ 1 to ⁇ 3 including the reference wavelength ⁇ 2.
  • the dispersion vb of the refractive lens 55 is expressed by the following equation (12) using refractive indices n1, n2 and n3 of the refractive lens 55 at respective wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3.
  • vb n2/(n1-n3) (12)
  • chromatic aberration can be corrected with high accuracy by canceling out axial chromatic aberration between the diffractive lens 50 and the refractive lens 55 .
  • the variation in the focal length fa of the diffractive lens 50 and the variation in the focal length fb of the refracting lens 55 cancel each other out over the resonant wavelength band ⁇ 1 to ⁇ 3, and the collimator optical system 25 Fluctuations in the overall focal length f can be suppressed.
  • the collimator optical system 25 of the present embodiment may appropriately satisfy the above formula (10) within the allowable error range.
  • the optical working distance from the output surface of the BT 42 to the diffraction surface 51 of the collimator optical system 25 was 997.2 mm, and the optical path length between each BT 42 and the collimator optical system 25 was 1000.5 mm.
  • Quartz was used as the lens material for the refractive lens 55 in the collimator optical system 25 .
  • the refractive lens 55 had an outer shape of 30 ⁇ 30 mm and a central thickness of 2 mm.
  • the curvature radius of the convex surface of the refractive lens 55 was 506.33497 mm.
  • the diffractive lens 50 quartz was used as the lens material in the same manner as the refractive lens 55 described above.
  • the diffractive lens 50 in this case has a refractive index similar to the refractive index n of the refractive lens 55 described above.
  • the diffractive lens 50 had an outer shape of 30 ⁇ 30 mm and a central thickness of 1 mm.
  • FIGS. 12 to 14 Numerical examples of the diffraction surface 51 in the diffraction lens 50 are illustrated in FIGS. 12 to 14.
  • FIG. a stepped periodic structure is adopted for the diffractive surface 51, and the number of steps of the unit structure is set to 16 steps.
  • the total number of steps on the diffraction surface 51 is 324 steps.
  • 12 to 14 show the positions and sag amounts of the steps x1 to x324 in the X direction. With such a diffraction surface 51 and the like, a collimator optical system 25 in which axial chromatic aberration is suppressed as shown in FIG. 11A is obtained.
  • FIG. 15 is a graph showing measurement results of the diffraction efficiency on the diffraction surface 51. As shown in FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 15 is the wavelength, and the vertical axis is the diffraction efficiency.
  • a graph E16 shows the diffraction efficiency of the diffraction surface 51 when the unit structure 52 has 16 stages.
  • graphs E8, E4, and E2 show diffraction efficiencies when the number of unit structures 52 is 8, 4, or 2, respectively. Note that the diffraction order is the first order.
  • the diffraction efficiency was about 40% as shown in graph E2 but in the case of 4 steps, a diffraction efficiency of 80% or more was obtained as shown in graph E4, and in the case of 8 steps, the diffraction efficiency was about 40%. obtained a diffraction efficiency of about 95%.
  • the optical resonator 2 in this embodiment resonates a plurality of light beams having different wavelengths.
  • the optical resonator 2 includes a laser light source 13 as an example of a light source, a diffraction grating 20, an output coupler 14, and a collimator optical system 25 as an example of a first optical system.
  • the laser light source 13 includes a plurality of laser elements 30, which are examples of a plurality of light source elements that respectively emit a plurality of light beams.
  • the diffraction grating 20 diffracts each light beam at angles of incidence ⁇ 1 to ⁇ 3 corresponding to the wavelengths of the light beams from the laser elements 31 to 33, respectively.
  • Output coupler 14 reflects a portion of the light beam diffracted at diffraction grating 20 back to laser source 13 and outputs the rest of the light beam.
  • the collimator optical system 25 is arranged between the laser light source 13 and the diffraction grating 20 , collimates each light beam incident from the laser light source 13 , and emits the collimated light beam to the diffraction grating 20 .
  • the collimator optical system 25 has a diffraction surface 51 that diffracts each light beam so as to adjust the chromatic aberration over the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ 3 of the multiple light beams.
  • the oscillation efficiency of the wavelength combining optical resonator 2 can be improved by resonating light beams having a plurality of wavelengths. efficiency can be improved.
  • Another method of using a diffractive lens to correct chromatic aberration is a method of using a plurality of refractive lenses made of lens materials having different dispersion characteristics.
  • the lens materials that can be used for the laser processing apparatus 1 having a relatively high output as in this embodiment are limited, and it is difficult to solve the problems in the laser processing apparatus 1 by the above method.
  • correction of chromatic aberration using a diffractive lens as in the optical resonator 2 of the present embodiment can suitably solve the problem of chromatic aberration in, for example, the high-power laser processing apparatus 1 .
  • the collimator optical system 25 includes one or more lenses. Diffractive surface 51 diffracts each light beam so as to correct for chromatic aberration in the one or more lenses. In this way, it is possible to improve the efficiency of resonating the plurality of light beams by adjusting the chromatic aberration over the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ 3 of the plurality of light beams.
  • the collimator optical system 25 has positive optical power in the X direction as an example of the predetermined direction.
  • the predetermined direction is the direction in which a plurality of light beams are arranged when entering the collimator optical system 25 (see FIG. 2).
  • the diffractive surface 51 corresponds to a positive optical power below the optical power of the collimator optics 25 in the X direction. With such a diffraction surface 51, at least a part of the chromatic aberration of the lens in the collimator optical system 25 when collimating the light beam on the fast axis Ax can be canceled to correct the chromatic aberration.
  • the collimator optical system 25 includes a refracting lens 55 that refracts each light beam in the X direction, and a diffractive lens 50 that is provided with a diffractive surface 51 and corrects chromatic aberration in the refracting lens. With such a configuration, the collimator optical system 25 can be configured easily.
  • the diffractive surface 51 has a periodic structure in which a plurality of unevennesses are repeated in the X direction (see FIG. 8).
  • the optical resonator 2 further includes a BTU 40, which is an example of a second optical system.
  • the BTU 40 is arranged between the laser light source 13 and the collimator optical system 25, and collimates and emits the light beams incident from the plurality of laser elements 30 in the direction of the fast axis Af corresponding to the X direction.
  • the collimator optical system 25 collimates each light beam emitted from the BTU 40 in the X direction and corrects chromatic aberration with the diffraction surface 51 . This makes it possible to correct the chromatic aberration when reducing the influence of wave-like expansion of the light beam once collimated by the BTU 40 , and improve the oscillation efficiency in the optical resonator 2 .
  • the laser light source 13 includes an LD array 3, which is an example of a plurality of light source arrays each provided with a plurality of laser elements 30.
  • the optical resonator 2, for example, as shown in FIG. It is provided so as to be stacked with the arranged +Y side stage (second stage).
  • a plurality of LD arrays 3 are arranged on the same plane (FIG. 3).
  • the collimator optical system 25 , the diffraction grating 20 and the output coupler 14 are arranged on the same plane as each other and on a different plane from the plurality of LD arrays 3 . With such a two-stage configuration, the optical resonator 2 can be made compact.
  • the optical resonator 2 further includes mirrors 46, 21, and 22 as an example of a reflecting optical system.
  • the mirrors 46 , 21 , 22 are arranged between the laser light source 13 and the collimator optical system 25 to reflect each light beam from the laser light source 13 and guide it to the collimator optical system 25 .
  • the optical resonator 2 can be made compact while suppressing the occurrence of chromatic aberration, for example.
  • the laser light source 13 emits light beams from the plurality of laser elements 30 in a wavelength band including wavelengths of 405 nm to 445 nm.
  • the diffraction surface 51 corrects chromatic aberration in the wavelength band in the collimator optical system 25 .
  • the oscillation efficiency of the optical resonator 2 can be improved in the resonant wavelength band of such a blue region.
  • the laser processing device 1 includes an optical resonator 2 and a processing head 11.
  • a processing object 15 is irradiated with a light beam output from an output coupler 14 of the processing head 11 optical resonator 2 .
  • the laser processing apparatus 1 can improve the oscillation efficiency in a wide resonant wavelength band.
  • Embodiment 1 has been described as an example of the technology disclosed in the present application.
  • the technology in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which modifications, substitutions, additions, omissions, etc. are made as appropriate.
  • the diffraction lens 50 is designed to suppress axial chromatic aberration, but the optical resonator 2 of this embodiment is not limited to this.
  • the diffraction lens 50 of the collimator optical system 25 allows each optical path Axial chromatic aberration can also be generated so that the focal length changes according to the lens length.
  • a numerical example for such a case is shown below.
  • Optical path length between BTU 40 of optical unit 4-1 and collimator optical system 25 1008.0 mm
  • Optical path length between BTU 40 of optical unit 4-2 and collimator optical system 25 998.1 mm
  • Optical path length between BTU 40 of optical unit 4-3 and collimator optical system 25 988.0 mm
  • the deviations in the optical path lengths of the optical units 4-1, 4-2, 4-3 as described above correspond to the deviations in the optical path lengths of the respective laser elements 31, 32, 33 (see FIG. 2).
  • FIG. 16 shows longitudinal chromatic aberration generated in the collimator optical system 25 with respect to such optical path length deviation.
  • the return lights of various wavelengths over the resonance wavelength bands ⁇ 1 to ⁇ 3 of the laser elements 31 to 33 are condensed at respective focal lengths. Similarly, each spot can be converged at each LD aperture. Therefore, in the optical resonator 2 of this embodiment as well, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the plurality of laser elements 31 to 33 may be arranged with the optical path length from each laser element 30 to the collimator optical system 25 shifted from each other.
  • the diffractive surface 51 of the diffractive lens 50 diffracts each light beam so as to cause chromatic aberration in the collimator optical system 25 in accordance with the deviation of the optical path length.
  • the configuration of the optical resonator 2 is not limited to this.
  • the laser light source 13 may be composed of one LD array 3 . Even in this case, it is possible to correct the chromatic aberration in the resonance wavelength band of the plurality of laser elements 30 included in the LD array 3, and improve the efficiency of resonating light beams having a plurality of wavelengths.
  • the light source of the optical resonator 2 may be a light source array other than the LD array 3, or may be configured using a laser light source such as various non-arrayed semiconductor lasers or a light source element.
  • the collimator optical system 25 of the optical resonator 2 is composed of two lenses, the diffractive lens 50 and the refractive lens 55, is described, but the collimator optical system 25 is not limited to this.
  • the collimator optical system 25 may be composed of three or more lenses, or may be composed of one lens.
  • the collimator optical system 25 may be composed of a single lens having one surface as the diffractive surface 51 and the other surface as a refractive surface such as a convex surface. Also in this case, the collimator optical system 25 corrects chromatic aberration using the diffraction surface 51, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the resonant wavelength band of the optical resonator 2 is not limited to the above, and may be, for example, a red region, or may be, for example, a wavelength of 900 nm or more and 950 nm or less.
  • the present disclosure can be applied to various uses in which a plurality of light beams are resonated, and can be applied to various laser processing techniques, for example.

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Abstract

互いに異なる波長を有する複数の光ビームを共振させる光共振器（２）は、光源（１３）と、回折格子（２０）と、出力カプラ（１４）と、光学系（２５）とを備える。光源（１３）は、複数の光ビームをそれぞれ発光する複数の光源素子（３１、３２、３３）を含む。回折格子（２０）は、各光源素子（３１、３２、３３）からの光ビームの波長に応じた角度において各光ビームを回折する。出力カプラ（１４）は、回折格子（２０）において回折された光ビームの一部を反射して光源（１３）に戻し、当該光ビームの残部を出力する。光学系（２５）は、光源（１３）と回折格子（２０）との間に配置され、光源（１３）から入射する各光ビームをそれぞれコリメートして回折格子（２０）に出射する。光学系（２５）は、複数の光ビームの波長にわたる色収差を調整するように、各光ビームを回折する回折面を有する。

Description

光共振器及びレーザ加工装置
　本開示は、複数の光ビームを共振させる光共振器、及び光共振器を備えたレーザ加工装置に関する。
　特許文献１は、個々の光ビームを重ね合わせて結合ビームを形成する波長合成型のレーザシステムを開示している。特許文献１では、光出力を増大する観点より、複数のダイオードバーからの光ビームを光ファイバに集光することが開示されている。また、レーザシステムを小型化する目的から、波長合成における結合レンズの配置を焦点距離から外すための光学系を別途含めたり、ビーム回転子を回転させたりしている。
米国特許出願公開第２０１６／００４８０２８号明細書
　本開示は、複数の波長を有する光ビームを共振させる効率を良くすることができる光共振器及びレーザ加工装置を提供する。
　本開示における光共振器は、互いに異なる波長を有する複数の光ビームを共振させる。光共振器は、光源と、回折格子と、出力カプラと、光学系とを備える。光源は、複数の光ビームをそれぞれ発光する複数の光源素子を含む。回折格子は、各光源素子からの光ビームの波長に応じた角度において各光ビームを回折する。出力カプラは、回折格子において回折された光ビームの一部を反射して光源に戻し、当該光ビームの残部を出力する。光学系は、光源と回折格子との間に配置された１つ以上のレンズを含み、光源から入射する各光ビームをそれぞれコリメートして回折格子に出射する。光学系は、複数の光ビームの波長にわたる色収差を調整するように、各光ビームを回折する回折面を有する。
　本開示におけるレーザ加工装置は、上記の光共振器と、光共振器の出力カプラから出力される光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える。
　本開示における光共振器及びレーザ加工装置によると、複数の波長を有する光ビームを共振させる効率を良くすることができる。
本開示の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図 実施形態１における光共振器の構成を例示する平面図 実施形態１における光共振器の構成を例示する側面図 光共振器におけるＬＤアレイの構成を例示する図 光共振器における光学ユニットの構成を例示する側面図 光学ユニットにおけるビームツイスタの構成を例示する斜視図 光学ユニットにおけるビームツイスタユニットの平面図 光共振器におけるコリメータ光学系の構成を例示する図 光共振器の回折格子における光ビームの結合方法を説明した図 光共振器における戻り光のカップリング効率の問題を説明するための図 光共振器における色収差の補正を説明するための図 コリメータ光学系の回折面の数値実施例を示す図 図１２に続く回折面の数値実施例を示す図 図１３に続く回折面の数値実施例を示す図 コリメータ光学系の回折面における回折効率の測定結果を示すグラフ 変形例のコリメータ光学系における軸上色収差を例示するグラフ
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（実施形態１）
　実施形態１では、波長合成型の光共振器及びそれを備えたレーザ加工装置について説明する。
１．構成
　実施形態１に係るレーザ加工装置及び光共振器の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。
　レーザ加工装置１は、例えば図１に示すように、光共振器２と、伝送光学系１０と、加工ヘッド１１と、コントローラ１２とを備える。レーザ加工装置１は、レーザ光を種々の加工対象物１５に照射して、各種レーザ加工を行う装置である。各種レーザ加工は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、及びレーザ穿孔などを含む。
　光共振器２は、例えばレーザ加工装置１において出力されるレーザ光を生成する。本実施形態において、光共振器２は、複数の光ビームを各々の波長で共振させて合成する波長合成型の外部共振器である。波長合成型の光共振器２によると、良好なビーム品質を得やすく、ビーム径を絞り易い。
　本実施形態に係る光共振器２は、図１に示すように、複数のレーザ素子３１～３３を含んだレーザ光源１３と、出力光Ｌ１を出射する出力カプラ１４と、レーザ光源１３及び出力カプラ１４の間に配置された光学系とを備える。当該光学系は、例えば回折格子２０、及び回折格子２０に入射する各光ビームをコリメートするコリメータ光学系２５等を含む。本実施形態の光共振器２は、こうした光学系を介してレーザ光源１３と出力カプラ１４との間を往復する光路において、特定の波長帯の各光ビームを共振させる。
　波長合成型の光共振器２においては、光ビームが共振する波長帯すなわち共振波長帯を広く確保することにより、例えば多数のレーザ素子３１～３３を利用でき、光出力を大きくすることができる。図１では、レーザ光源１３における３個のレーザ素子３１，３２，３３を例示している。レーザ光源１３に含まれるレーザ素子３１～３３の個数は、例えば数十個から数百個である。本実施形態の光共振器２は、コリメータ光学系２５の構成により、幅広い共振波長帯を用いた際に生じ得る発振効率の問題を解消できる（詳細は後述）。
　レーザ加工装置１において、伝送光学系１０は、光共振器２からのレーザ光を加工ヘッド１１に伝送する光学系であり、例えば光ファイバを含む。加工ヘッド１１は、例えば加工対象物１５に対向して配置され、光共振器２から伝送されたレーザ光を加工対象物１５に照射する装置である。
　コントローラ１２は、レーザ加工装置１の全体動作を制御する制御装置である。コントローラ１２は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１２は、各種プログラム及びデータを記憶する内部メモリ、及び使用者の操作により発振条件等を入力可能な各種インタフェースを備えてもよい。コントローラ１２は、各種機能を実現するＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のハードウェア回路を備えてもよい。また、コントローラ１２は、光源の駆動回路と一体的に構成されてもよい。
１－１．光共振器の構成
　本実施形態に係る光共振器２の構成の一例を、図２～図４を用いて説明する。
　図２は、本実施形態における光共振器２の構成を例示する平面図である。図３は、図２の光共振器２の側面図を示す。以下では、光共振器２の出力カプラ１４から出力される光ビームの光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交して且つ互いに直交する２方向をＸ，Ｙ方向とする。図２は＋Ｙ側から見た光共振器２を例示し、図３は－Ｘ側から見た光共振器２を例示する。
　本実施形態の光共振器２は、例えば図２に示すように、レーザ光源１３を構成する複数のＬＤ（レーザダイオード）アレイ３－１～３－３と、各ＬＤアレイ３－１～３－３に対応して設けられる複数の光学ユニット４－１～４－３とを備える。さらに、光共振器２は、複数のミラー２１～２３と、コリメータ光学系２５と、１／２波長板２４と、回折格子２０と、テレスコープ光学系２６と、出力カプラ１４とを備える。
　本構成例の光共振器２は、例えば図３に示すように、各ＬＤアレイ３及び各光学ユニット４が同一のＸＺ平面上に配置された－Ｙ側の段と、出力カプラ１４等が同一平面上に配置された＋Ｙ側の段との２段構成を有する。こうした２段構成によると、光共振器２を小型化できる。
　図２，３では、３個のレーザ素子３１，３２，３３に対応する３個のＬＤアレイ３－１，３－２，３－３を例示している。レーザ光源１３に含まれるＬＤアレイ３－１～３－３の個数は、例えば１１個である。以下、ＬＤアレイ３－１～３－３の総称を「ＬＤアレイ３」といい、光学ユニット４－１～４－３の総称を「光学ユニット４」という場合がある。又、レーザ素子３１～３３の総称を「レーザ素子３０」という場合がある（図４参照）。
　図４は、光共振器２におけるＬＤアレイ３の構成を例示する。ＬＤアレイ３は、例えば一次元的に複数のレーザ素子３０が配列されたアレイである。以下では、ＬＤアレイ３においてレーザ素子３０が配列された方向を「Ｘｉ方向」とし、ＬＤアレイ３が出射する光ビームの光軸の方向を「Ｚｉ方向」とする。各ＬＤアレイ３は、例えばＹ方向に対してＸｉ，Ｚｉ方向が直交するように配置される。
　ＬＤアレイ３は、例えばダイレクトダイオードレーザで構成される。ＬＤアレイ３の後側（即ち－Ｚｉ側）端面には、例えば反射率９９．９％以上の高反射率コーティングが施される。ＬＤアレイ３の前側（即ち＋Ｚｉ側）端面には、例えば、透過率９９．９％以上の反射防止コーティングが施される。
　図４では、ＬＤアレイ３において５個のレーザ素子３０が光ビームを出射する開口部（「ＬＤ開口」ともいう）を例示している。１つのＬＤアレイ３に含まれるレーザ素子３０の個数は、例えば数十個から数百個である。ＬＤアレイ３における複数のレーザ素子３０は、例えばＬＤ発光層の材質に応じた共通の自然放出スペクトルを有する。当該スペクトルは、例えば共振波長帯に対応し、たとえば波長４０５ｎｍ～４４５ｎｍを含む。
　本実施形態において、ＬＤアレイ３は、各レーザ素子３０から、発散角が比較的大きいファスト軸及び比較的小さいスロー軸を有する光ビームを発光する（図５参照）。光ビームのファスト軸は、スロー軸よりも急速にビーム径を拡げ、且つ良好なビーム品質を得やすい。各レーザ素子３０は、ＬＤアレイ３のエミッタを構成する光源素子の一例であり、それぞれ＋Ｚｉ側に光ビームを出射する。
　光学ユニット４は、ＬＤアレイ３の各レーザ素子３０からの複数の光ビームをそれぞれ調整して導光する光学系である。光学ユニット４は、＋Ｚｉ側へ向けて順番に、ＢＴＵ（ビームツイスタユニット）４０と、ＳＡＣ（スロー軸コリメータ）４５と、ミラー４６とを備える。光学ユニット４は、ＬＤアレイ３の＋Ｚｉ側に配置される。光学ユニット４では、ＬＤアレイ３からの各光ビームが、ファスト軸及びスロー軸についてコリメートされ、且つスロー軸がＹ方向に向けられる。こうした光学ユニット４の詳細は後述する。
　各光学ユニット４のミラー４６は、それぞれ対応するＬＤアレイ３からの光ビームを－Ｚ側に反射し、ミラー２１に向けて出射する。光学ユニット４のミラー４６は、Ｙ方向に平行で且つ、Ｘｉ方向に対して所定の角度に配置される。ミラー４６の角度は、各々のＬＤアレイ３からの光ビームが、ファスト軸をＸ方向に向けた状態で回折格子２０において集光されるように、光学ユニット４毎に設定され、例えば４４度以上７２度以下である。
　ミラー２１とミラー２２とは、例えばそれぞれ－Ｚ側と＋Ｚ側とに対向配置され、互いに平行な向きを有する。各ミラー２１，２２の向きは、例えばＸ方向に平行で、且つＹ方向に対して所定の傾斜角度を有する。ミラー２１，２２の傾斜角度は、光共振器２の２段構成における光路を考慮して設定され、例えば４度である。
　ミラー２１は、各光学ユニット４のミラー４６と、ミラー２２との間で光を反射する。例えば、ミラー２１は、各光学ユニット４のミラー４６から入射した各光ビームを、傾斜角度の分だけ＋Ｙ側に反射し、ミラー２２に向けて出射する（図３）。
　ミラー２２は、ミラー２１から入射する各光ビームを－Ｚ側に反射して、ＸＺ平面上で集光するように出射する。ミラー２２は、例えばミラー２１よりも小型のサイズを有する。ミラー２２の－Ｚ側には、コリメータ光学系２５、１／２波長板２４及び回折格子２０が、Ｚ方向に沿って順番に配置される。例えば図２に示すように、複数の光ビームは、Ｘ方向において互いに配列された状態で、コリメータ光学系２５に入射する。
　コリメータ光学系２５は、１つ以上のレンズを含み、ミラー２２等を介して各ＬＤアレイ３から入射した各光ビームを、ファスト軸すなわちＸ方向について再びコリメートして、回折格子２０に向けて出射する。コリメータ光学系２５と各光学ユニット４のＢＴＵ４０との間の各々の光路長は、例えばコリメータ光学系２５の焦点距離（「ｆ」とする）と実質的に一致するように、それぞれ設定される。コリメータ光学系２５と回折格子２０との間の光路長は、コリメータ光学系２５の焦点距離ｆ以下に設定可能である。
　本実施形態の光共振器２において、コリメータ光学系２５は、光ビームが共振する波長帯すなわち共振波長帯における色収差を抑制するように構成される。コリメータ光学系２５の詳細は後述する。
　１／２波長板２４は、入射する光ビームの偏光を９０度回転させる。例えば、光ビームがＸ方向に平行な直線偏光である場合は、Ｙ方向に平行な直線偏光に変換する。１／２波長板２４によると、回折格子２０における回折効率の観点から、光ビームの偏光を適切に制御できる。１／２波長板２４は、特にコリメータ光学系２５と回折格子２０との間に限らず、例えばコリメータ光学系２５よりも＋Ｚ側に配置されてもよい。
　回折格子２０は、例えば透過型の分散性素子で構成され、入射する光を、その波長に応じた回折角で回折させる。回折格子２０は、例えばＸＺ断面において所定のピッチを有する周期構造を備える。回折格子２０の周期構造は、例えば断面形状が矩形波形状、三角波形状、又は鋸歯形状などであってもよい。回折格子２０は、透過型に限らず、反射型で構成されてもよい。
　ミラー２３は、回折格子２０とテレスコープ光学系２６との間で光を反射する。例えば、ミラー２３は、回折格子２０において結合された光ビームの反射光が、Ｚ方向に進んでテレスコープ光学系２６に入射するように配置される。
　テレスコープ光学系２６は、例えばＸ方向に正の光学パワーを有するシリンドリカルレンズ２６ａ，２６ｂと、Ｘ方向に負の光学パワーを有するシリンドリカルレンズ２６ｃとを含む。テレスコープ光学系２６は、例えばミラー２３からの光ビームのＸ方向におけるビーム径を縮小して、出力カプラ１４に出射する。テレスコープ光学系２６によると、光ビームのファスト軸についての出力カプラ１４の角度誤差感度を低減することができる。
　出力カプラ１４は、例えば、所定の透過率及び反射率を有する部分反射ミラーで構成され、ＸＹ平面に平行に配置される。例えば、出力カプラ１４の反射率は例えば２％から６％程度に設定される。テレスコープ光学系２６から出力カプラ１４に入射する光ビームのうち、透過率に応じた透過成分は、光共振器２の出力のレーザ光として、例えば伝送光学系１０（図１）に出射する。一方、反射率に応じた反射成分は、光共振のために、テレスコープ光学系２６等を逆行するように戻される。出力カプラ１４には、こうした反射率及び透過率が調整可能な機構が設けられてもよい。
　以上のような構成例の光共振器２によると、多数のＬＤアレイ３の各レーザ素子３０からの光ビームを共に共振させ、光出力を高くすることができる。又、各種ミラー４６，２１～２３を用いて各光ビームの光路を折り返すことにより、光共振器２を小型に構成できる。
　本実施形態において、光共振器２は上記構成例に限らない。例えば、光共振器２はプリズムなどの光学素子をさらに備えてもよいし、ミラー４６，２１～２３などの各種光学素子が適宜、省略されてもよい。
１－１－１．光学ユニットについて
　本実施形態の光共振器２における光学ユニット４の構成について、図５～７を用いて説明する。
　図５は、光学ユニット４を－Ｘｉ側から見た側面図を示す。図５では、ミラー４６等の図示を省略して、１つのレーザ素子３０からの光ビームの光路を例示している。
　光学ユニット４におけるＢＴＵ４０は、ＦＡＣ（ファスト軸コリメータ）４１と、ＢＴ（ビームツイスタ）４２とを含む。光学ユニット４では、例えばレーザ素子３０近傍から＋Ｚｉ側へ順番に、ＦＡＣ４１、ＢＴ４２及びＳＡＣ４５が配置される。図５に示すように、本実施形態においてレーザ素子３０の光ビームが光学ユニット４に入射する前に、光ビームのファスト軸ＡｆはＹ方向に向いており、スロー軸ＡｓはＸｉ方向に向いている。
　ＦＡＣ４１は、ファスト軸Ａｆにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の光学パワーを有するシリンドリカルレンズで構成される。ＦＡＣ４１は、例えば図５に示すように、長手方向をＸｉ方向に向けて、ＬＤアレイ３の＋Ｚｉ側端面から焦点距離の位置に配置される。本例では、レーザ素子３０からの光ビームは、ＦＡＣ４１によりＹ方向（即ちファスト軸Ａｆ）においてコリメートされて、ＢＴ４２に入射する。
　図６に、ＢＴ４２の構成例を示す。ＢＴ４２は、例えば複数の光ビームをそれぞれ回転させる光学素子であり、複数の斜行したレンズ部４３を含む。斜行レンズ部４３は、ＢＴ４２において、レーザ素子３０毎のレンズを構成する部分であり、例えばシリンドリカルレンズを構成する。なお、ＢＴ４２とＦＡＣ４１とは別体で提供されてもよい。
　ＢＴ４２は、例えばＸｉ方向に所定のピッチで複数の斜行レンズ部４３を配列するように形成される。本構成例において、斜行レンズ部４３は、配列方向（即ちＸｉ方向）およびＢＴ４２の厚み方向（即ちＹ方向）の双方に対して４５度だけ傾斜した状態から、ＬＤアレイ３の中央のレーザ素子３０の光軸の周りに所定の微少角度だけ回転している。微少角度は、例えば０．０１度以下である。なお、ＢＴ４２はこうした微少角度を有していなくてもよい。
　図５の例において、ＢＴ４２は、レーザ素子３０からＦＡＣ４１を介して入射する光ビームを、ＸｉＹ平面において回転角度９０度だけ回転させる。これにより、ＢＴ４２から出射する光ビームのスロー軸ＡｓがＹ方向に向き、ファスト軸ＡｆはＸｉ方向に向くこととなる。又、ＢＴ４２の出射時の光ビームは、Ｙ方向では発散光となり、Ｘｉ方向においては平行光となる。
　図７は、ＢＴＵ４０を＋Ｙ側から見た平面図を示す。図７では、ＬＤアレイ３における中央のレーザ素子３０と－Ｘｉ側のレーザ素子３０とからの各光ビームの光路を例示する。上述したＢＴ４２の微少角度によると、図７に示すように、ＬＤアレイ３におけるレーザ素子３０の位置が外側であるほど、その光ビームを内向させることができる（特許文献１参照）。
　ＳＡＣ４５は、スロー軸Ａｓにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の光学パワーを有するシリンドリカルレンズで構成される。ＳＡＣ４５は、例えば図５に示すように、長手方向をＸｉ方向に向けて、ＢＴＵ４０の＋Ｚｉ側の面から焦点距離の位置に配置される。本例では、ＢＴ４２からの光ビームは、ＳＡＣ４５によりＹ方向（即ちスロー軸Ａｓ）においてコリメートされて、光学ユニット４を出射する。
　以上の光学ユニット４によると、ＬＤアレイ３の各レーザ素子３０から発光した光ビームは、基本的にはファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓにおいてコリメートされる。但し、光の波動的な作用により、特にファスト軸ＡｆにおいてはＢＴ４２の＋Ｚｉ側の面等からの波の影響としてビーム径が広がり得る。これに対して、本実施形態の光共振器２においては、コリメータ光学系２５による各光ビームのコリメートによって、上記の影響を抑制することが可能となる。
１－１－２．コリメータ光学系について
　本実施形態の光共振器２におけるコリメータ光学系２５の構成例を、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の光共振器２におけるコリメータ光学系２５の構成を例示する図である。
　本実施形態のコリメータ光学系２５は、例えば図８に示すように、回折レンズ５０と、屈折レンズ５５とを備える。コリメータ光学系２５は、例えば光共振器２におけるＸ方向において正の光学パワーを有し、Ｙ方向においては特に光学パワーを有しない。回折レンズ５０及び屈折レンズ５５は、例えば所定間隔ｄ（例えば１ｍｍ）を置いて＋Ｚ側から－Ｚ側へ順番に配置される。
　回折レンズ５０は、例えば光共振器２の共振波長帯において透光性を有するレンズ材料に、回折面５１を設けて構成される。回折面５１は、入射する光の回折により光学パワーを与えるように構成される。回折レンズ５０において、回折面５１は、例えば屈折レンズ５５とは反対側に設けられる。又、回折レンズ５０において、回折面５１とは反対側で屈折レンズ５５に対向する面は、例えば平坦面である。
　回折レンズ５０は、回折面５１に基づいて、Ｘ方向において正の光学パワーを有し、Ｙ方向においては特に光学パワーを有しない。Ｘ方向における回折レンズ５０の光学パワーは、コリメータ光学系２５の光学パワーよりも小さい。回折レンズ５０は、こうした光学パワーに対応する焦点距離ｆａと、回折面５１による分散ｖａとを有する。
　屈折レンズ５５は、例えばＸ方向において正の光学パワーを有し、Ｙ方向においては光学パワーを有しないシリンドリカルレンズで構成され、対応する焦点距離ｆｂを有する。各レンズ５０，５５の焦点距離ｆａ，ｆｂによると、コリメータ光学系２５の焦点距離ｆは次式（１）のように表される。
１／ｆａ＋１／ｆｂ＝１／ｆ　　…（１）
　屈折レンズ５５においては、例えば、回折レンズ５０とは反対側の面が凸状の屈折面であり、回折レンズ５０に対向する側の面が平坦面である。屈折レンズ５５は、共振波長帯において透光性を有するレンズ材料で構成される。屈折レンズ５５は、レンズ材料による屈折率ｎ、及び屈折率ｎの波長依存性に応じた分散ｖｂを有する。回折レンズ５０のレンズ材料と屈折レンズ５５のレンズ材料とは同一であってもよい。
　回折面５１による分散ｖａの波長依存性は、一般に、屈折レンズ５５の分散ｖｂとは逆の傾向を有する。本実施形態の光共振器２は、コリメータ光学系２５に回折面５１を設けることにより、屈折レンズ５５の色収差の少なくとも一部を相殺すなわち補正して、共振波長における色収差を抑制することができる。又、上記のような回折レンズ５０及び屈折レンズ５５の２枚構成によると、コリメータ光学系２５の製造を容易化できる。
　回折レンズ５０における回折面５１は、例えば階段形状の凹凸がＸ方向において繰り返される周期構造で構成される。回折面５１の周期構造は、例えば一周期分の凹凸を構成する単位構造５２を複数含む。図８では、回折面５１の中心を原点として、Ｚ方向の変位すなわちサグ量およびＸ方向における位置ｘを示している。
　単位構造５２は、例えば所定の段数（例えば４～１６段）の段差ｘｎを有する。回折面５１の周期構造は、例えば単位構造５２の各段差ｘｎのサグ量で規定され、回折レンズ５０の中心の光軸から±Ｘ側において対称に構成される。Ｘ方向における単位構造５２の幅（即ち周期）は、回折レンズ５０における外側にある単位構造５２ほど短くなる。正の光学パワーの回折面５１においては、例えば図８に示すように、単位構造５２毎にサグ量が外側において内側よりも低くなるように設定される。
　こうした回折面５１の周期構造は、階段形状に限らず、例えば鋸歯形状又は各種波形状などであってもよい。以上のようなコリメータ光学系２５についての光共振器２の数値実施例については後述する。
２．動作
　以上のように構成されるレーザ加工装置１及び光共振器２の動作について、以下説明する。
　本実施形態のレーザ加工装置１（図１）は、例えばコントローラ１２において設定される発振条件に基づいて、光共振器２のレーザ光源１３を駆動させ、光共振器２にレーザ光を生成させる。レーザ加工装置１は、例えばコントローラ１２の制御により加工ヘッド１１から加工対象物１５に、光共振器２で生成されたレーザ光を照射して、各種のレーザ加工を行う。
　例えば以上のようなレーザ加工装置１において、光共振器２のレーザ光源１３は、図２に例示するように各ＬＤアレイ３－１～３－３における各レーザ素子３１～３３から光ビームを光学ユニット４－１～４－３に出射する。各ＬＤアレイ３からの複数の光ビームは、それぞれ光学ユニット４及び各種ミラー２１，２２を経由する光路を進んで、コリメータ光学系２５に入射する。
　こうした光路の進行中に、各光ビームにおけるファスト軸Ａｆのビーム径は、例えば光学ユニット４の途中から次第に拡がり得る。そこで、コリメータ光学系２５は、レーザ光源１３の各ＬＤアレイ３からの各光ビームをそれぞれＸ方向においてコリメートして、回折格子２０に向けて出射する。又、上記光路は、例えば複数の光ビームが進むほどＸ方向において互いに近づき、回折格子２０において集光されるように、光ビーム毎に設定される（図２参照）。
　回折格子２０は、例えば次式（２）のような回折条件にしたがって、波長λを有する光が入射角αで入射すると回折角βで出射するように、光を回折させることにより、各ＬＤアレイ３からの複数の光ビームを結合する。
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍλ／ｄ　　　…（２）
　ここで、ｄは回折格子２０のピッチであり、ｍは回折次数を示す。図９は、光共振器２の回折格子２０における光ビームの結合方法を説明した図である。
　回折格子２０においては、例えば図９に示すように、各レーザ素子３１，３２，３３からの各光ビームの入射角α＝α１，α２，α３が互いに異なる。本実施形態の光共振器２では、例えば上式（２）に基づいて、各光ビームの回折角βを同一にするように、各レーザ素子３１，３２，３３に異なる共振波長λ＝λ１，λ２，λ３が設定される。これにより、複数のＬＤアレイ３からの光ビームは、図９に例示するような光路において、回折後に回折格子２０から同じ方向に出射する。こうして結合された光ビームは、例えばテレスコープ光学系２６を介して出力カプラ１４に入射する。
　出力カプラ１４は、回折格子２０において結合された光ビームの一部を反射して、テレスコープ光学系２６等を逆行させることにより各レーザ素子３０に戻す。例えば、図９に例示した光路の逆行により、複数の波長λ＝λ１～λ３を有する光ビームは、回折格子２０において波長λ１，λ２，λ３別に異なる角度α１，α２，α３に分離される。分離された各光ビームは、さらにコリメータ光学系２５等を逆行して、それぞれ入射元のレーザ素子３１，３２，３３に戻される。
　こうして、光共振器２において、各種の共振波長λ＝λ１～λ３にわたりレーザ発振用の戻り光が供給され、ＬＤアレイ３の後側端面と出力カプラ１４との間で光共振を生じさせることが可能になる。又、出力カプラ１４を通過した光ビームは、例えばレーザ加工装置１の出力として利用される。
　以上のように、本実施形態の光共振器２は、幅広い共振波長帯λ１～λ３において多数のレーザ素子３１～３３の光ビームを共に共振させて高い光出力を得ることができる。共振波長λは、例えば各ＬＤアレイ３のレーザ素子３０毎に別々に設定される。例えば、波長４００ｎｍ～４５０ｎｍ程度の青色領域において、複数のＬＤアレイ３－１～３－３間では、λ１＝４０５ｎｍ、λ２＝４２５ｎｍ及びλ３＝４４５ｎｍといった幅４０ｎｍを含む共振波長帯λ１～λ３が設定できる。この際、１つのＬＤアレイ３におけるレーザ素子３０間の共振波長λの差異は、例えば数ｎｍ程度である。
２－１．戻り光のカップリング効率と色収差補正
　ここで、従来の波長合成型の光共振器では、共振波長帯を広げたとしても、戻り光の結合効率すなわちレーザ発振可能に戻される効率の低下から、発振効率を高めることが困難という問題が、本願発明者の鋭意研究により見出された。これに対して、本実施形態の光共振器２は、コリメータ光学系２５において色収差を補正することにより、上記問題を解消できる。この点について、図１０～図１１を用いて説明する。
　図１０は、光共振器における戻り光のカップリング効率の問題を説明するための図である。図１０において、グラフＧ１は、本実施形態の光共振器２と同様の共振波長帯において、従来のコリメータ光学系を備えた典型的な光共振器における戻り光のカップリング効率を示す。従来のコリメータ光学系は、典型的には屈折レンズのみで構成される。
　図１０では、グラフＧ１中の波長λ１，λ２に対応する戻り光のスポットＳ１，Ｓ２と、ＬＤ開口３０ａとの関係を例示している。本例では、共振波長帯λ１～λ３における中央等の基準の波長λ２（例えば４２５ｎｍ）において、戻り光のスポットＳ２がＬＤ開口３０ａにて収束するように光共振器が設定された場合を示す。この場合、基準の波長λ２における戻り光のカップリング効率は、比較的高い。しかしながら、グラフＧ１において基準の波長λ２から離れるほど、戻り光のカップリング効率が低下している。例えば、端部の波長λ１における戻り光のスポットＳ１は、ファスト軸の方向においてＬＤ開口３０ａから大幅にはみ出している。
　以上のように、従来の光共振器においては、戻り光のカップリング効率が共振波長に依存して低下し、このため共振波長帯λ１～λ３全体として発振効率を高めることが困難という問題がある。この問題に対して、本願発明者は鋭意研究を重ね、その要因がコリメータ光学系の色収差にあることを見出して、本実施形態の光共振器２を考案するに到った。
　図１１は、本実施形態の光共振器２における色収差の補正を説明するための図である。図１１（Ａ）は、コリメータ光学系における色収差のグラフＧ１１，Ｇ１２を例示する。図１１（Ｂ）は、本実施形態の光共振器２における戻り光のカップリング効率のグラフＧ２を示す。
　図１１（Ａ）では、従来のコリメータ光学系の色収差グラフＧ１１と、本実施形態のコリメータ光学系２５の色収差グラフＧ１２とを示している。図１１（Ａ）では、波長４２５ｎｍ（＝λ２）を基準として軸上色収差が０ｍｍとしている。横軸は波長をｎｍ単位で示し、縦軸は軸上色収差をｍｍ単位で示す。
　従来のコリメータ光学系では、図１１（Ａ）の色収差グラフＧ１１に示すように、基準よりも短い波長４０５ｎｍ（＝λ１）では、－４ｍｍ程度の軸上色収差が生じている。又、基準よりも長い波長４４５ｎｍ（＝λ３）では、＋４ｍｍ程度の軸上色収差が生じている。こうしたコリメータ光学系の色収差によると、基準の波長λ２から離れるほど戻り光のスポットＳ１が広がり（図１０参照）、戻り光のカップリング効率ひいては発振効率の低下を招いてしまう。
　これに対して、本実施形態の光共振器２におけるコリメータ光学系２５は、色収差グラフＧ１２に示すように、共振波長帯λ１～λ３における軸上色収差を従来よりも抑制し、精度良く補正できている。こうしたコリメータ光学系２５は、光共振器２において、共振波長帯λ１～λ３にわたる各種波長の戻り光を、互いに同じ焦点距離ｆで集光し、各々のスポットを各ＬＤ開口にて収束できる。これにより、図１１（Ｂ）のグラフＧ２に示すように、共振波長帯λ１～λ３における種々の共振波長λにわたり戻り光のカップリング効率を充分に高く確保でき、こうした共振波長帯λ１～λ３における光共振器２の発振効率を高めることができる。
２－２．色消し条件について
　本実施形態の光共振器２は、例えば、基準の波長λ２を含む共振波長帯λ１～λ３においてコリメータ光学系２５が色消し条件を満たすように設定される。色消し条件は、例えば回折レンズ５０の焦点距離ｆａ及び分散ｖａと屈折レンズ５５の焦点距離ｆｂ及び分散ｖｂとを用いて次式（１０）のように表される。
１／（ｆａ×ｖａ）＋１／（ｆｂ×ｖｂ）＝０　　…（１０）
　上式（１０）において、回折レンズ５０の分散ｖａは、例えばλ１＜λ２＜λ３の波長λ２に関して、次式（１１）のように表される。
ｖａ＝λ２／（λ１－λ３）　　…（１１）
　また、屈折レンズ５５の分散ｖｂは、例えば各波長λ１，λ２，λ３における屈折レンズ５５の屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３を用いて、次式（１２）のように表される。
ｖｂ＝ｎ２／（ｎ１－ｎ３）　　…（１２）
　上式（１０）を満たすコリメータ光学系２５によると、回折レンズ５０と屈折レンズ５５との間で軸上色収差の打ち消し合いにより、色収差の補正を高精度に実現することができる。例えば、上述した焦点距離ｆの式（１）において共振波長帯λ１～λ３にわたって回折レンズ５０の焦点距離ｆａの変動と、屈折レンズ５５の焦点距離ｆｂの変動とが互いに打ち消し合い、コリメータ光学系２５全体の焦点距離ｆの変動を抑制することができる。本実施形態のコリメータ光学系２５は、適宜許容誤差の範囲内で上式（１０）を満たしてもよい。
２－３．数値実施例
　以上のような色消し条件に基づいた本実施形態の光共振器２の数値的な実施例について、以下説明する。
　光共振器２において、コリメータ光学系２５の焦点距離ｆは、上述した式（１）のように屈折レンズ５５の焦点距離ｆｂと回折レンズ５０の焦点距離ｆａを合成して、ｆ＝１０００．２８ｍｍであった。ＢＴ４２の出射面からコリメータ光学系２５の回折面５１までの光学的な作動距離は９９７．２ｍｍであり、各ＢＴ４２とコリメータ光学系２５間の光路長は１０００．５ｍｍであった。
　コリメータ光学系２５における屈折レンズ５５について、レンズ材料は石英を用いた。屈折レンズ５５の屈折率ｎは、波長４０５ｎｍにおいてｎ＝１．４６９５８７であり、波長４２５ｎｍにおいてｎ＝１．４６７６３９であり、波長４４５ｎｍにおいてｎ＝１．４６５９５７であった。屈折レンズ５５の外形は３０×３０ｍｍであり、中心厚は２ｍｍであった。屈折レンズ５５の凸面の曲率半径は、５０６．３３４９７ｍｍであった。
　回折レンズ５０について、レンズ材料は、上記の屈折レンズ５５と同様に石英を用いた。この場合の回折レンズ５０は、上記の屈折レンズ５５の屈折率ｎと同様の屈折率を有する。回折レンズ５０の外形は３０×３０ｍｍであり、中心厚は１ｍｍであった。
　回折レンズ５０における回折面５１の数値実施例を図１２～図１４に例示する。本実施例では、回折面５１に階段状の周期構造を採用して、単位構造段数は１６段とした。また、回折面５１における段差の総数は３２４段とした。図１２～図１４では、各段差ｘ１～ｘ３２４のＸ方向における位置およびサグ量を示している。こうした回折面５１等によると、図１１（Ａ）に示すように軸上色収差が抑制されたコリメータ光学系２５が得られた。
　また、上記のようなコリメータ光学系２５の回折面５１について、単位構造５２の段数を変えて、回折効率を測定した。図１５は、回折面５１における回折効率の測定結果を示すグラフである。
　図１５の横軸は波長であり、縦軸は回折効率である。グラフＥ１６は、単位構造５２が１６段である場合の回折面５１の回折効率を示す。同様に、グラフＥ８，Ｅ４，Ｅ２は、それぞれ単位構造５２が８段、４段、又は２段の場合の回折効率を示す。なお、回折次数は１次とした。
　図１５に示すように、単位構造５２の段数を増やすほど高い回折効率が得られ、１６段の場合にはグラフＥ１６に示すように充分に回折効率が１００％に近い結果が得られた。また、２段の場合にはグラフＥ２のように回折効率が４０％程度であったものの、４段の場合にはグラフＥ４のように８０％以上の回折効率が得られ、８段の場合には９５％程度もの回折効率が得られた。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態における光共振器２は、互いに異なる波長を有する複数の光ビームを共振させる。光共振器２は、光源の一例であるレーザ光源１３と、回折格子２０と、出力カプラ１４と、第１の光学系の一例であるコリメータ光学系２５とを備える。レーザ光源１３は、複数の光ビームをそれぞれ発光する複数の光源素子の一例である複数のレーザ素子３０を含む。回折格子２０は、各レーザ素子３１～３３からの光ビームの波長に応じた入射角α１～α３といった角度において各光ビームを回折する。出力カプラ１４は、回折格子２０において回折された光ビームの一部を反射してレーザ光源１３に戻し、当該光ビームの残部を出力する。コリメータ光学系２５は、レーザ光源１３と回折格子２０との間に配置され、レーザ光源１３から入射する各光ビームをそれぞれコリメートして回折格子２０に出射する。コリメータ光学系２５は、複数の光ビームの波長λ１～λ３にわたる色収差を調整するように、各光ビームを回折する回折面５１を有する。
　以上の光共振器２によると、コリメータ光学系２５に回折面５１を設けて色収差を補正することにより、波長合成型の光共振器２における発振効率といった、複数の波長を有する光ビームを共振させる効率を良くすることができる。
　なお、色収差の補正において回折レンズを用いる他の手法としては、異なる分散特性を有するレンズ材料の屈折レンズを複数用いる手法がある。しかしながら、本実施形態のように比較的高い出力を有するレーザ加工装置１に用いることが可能なレンズ材料は限られ、上記の手法ではレーザ加工装置１における問題を解決困難である。これに対して、本実施形態の光共振器２のように回折レンズを用いた色収差の補正によると、例えば高出力のレーザ加工装置１において好適に色収差の問題を解決できる。
　本実施形態において、コリメータ光学系２５は、１つ以上のレンズを含む。回折面５１は、上記の１つ以上のレンズにおける色収差を補正するように、各光ビームを回折する。このように、複数の光ビームの波長λ１～λ３にわたる色収差を調整して、複数の光ビームを共振させる効率を良くすることができる。
　本実施形態において、コリメータ光学系２５は、所定方向の一例としてのＸ方向において正の光学パワーを有する。所定方向は、複数の光ビームがコリメータ光学系２５に入射する際に配列される方向である（図２参照）。回折面５１は、Ｘ方向において、コリメータ光学系２５の光学パワー以下で正の光学パワーに対応する。こうした回折面５１によると、光ビームをファスト軸Ａｘにコリメートする際のコリメータ光学系２５におけるレンズの色収差の少なくとも一部を相殺して、色収差を補正できる。
　本実施形態において、コリメータ光学系２５は、Ｘ方向において各光ビームを屈折する屈折レンズ５５と、回折面５１が設けられ、屈折レンズにおける色収差を補正する回折レンズ５０とを含む。こうした構成により、コリメータ光学系２５を簡単に構成できる。
　本実施形態において、回折面５１は、Ｘ方向において複数の凹凸を繰り返す周期構造を有する（図８参照）。こうした回折面５１の周期構造を用いて、コリメータ光学系２５の色収差を補正し、光共振器２における発振効率を向上できる。
　本実施形態において、光共振器２は、第２の光学系の一例であるＢＴＵ４０をさらに備える。ＢＴＵ４０は、レーザ光源１３とコリメータ光学系２５との間に配置され、Ｘ方向に対応するファスト軸Ａｆの方向において、複数のレーザ素子３０から入射する各光ビームをコリメートして出射する。コリメータ光学系２５は、Ｘ方向において、ＢＴＵ４０から出射した各光ビームをコリメートして、回折面５１により色収差を補正する。これにより、ＢＴＵ４０で一度コリメータした光ビームが波動的に拡がる影響を低減する際の色収差を補正して、光共振器２における発振効率を向上できる。
　本実施形態において、レーザ光源１３は、それぞれ複数のレーザ素子３０が設けられた複数の光源アレイの一例のＬＤアレイ３を含む。光共振器２は、例えば図３に示すように、複数のＬＤアレイ３が配置された－Ｙ側の段（第１の段）と、コリメータ光学系２５と回折格子２０と出力カプラ１４とが配置された＋Ｙ側の段（第２の段）とを積み重ねるように設けられる。複数のＬＤアレイ３は、互いに同一平面上に配置される（図３）。コリメータ光学系２５と回折格子２０と出力カプラ１４とは、互いに同一平面上であって、且つ複数のＬＤアレイ３とは異なる平面上に配置される。こうした２段構成により、光共振器２を小型に構成できる。
　本実施形態において、光共振器２は、反射光学系の一例としてミラー４６，２１，２２をさらに備える。ミラー４６，２１，２２は、レーザ光源１３とコリメータ光学系２５との間に配置され、レーザ光源１３からの各光ビームを反射して、コリメータ光学系２５に導光する。こうしたミラー４６，２１，２２により、例えば色収差の発生を抑制しながら、光共振器２を小型に構成できる。
　本実施形態において、レーザ光源１３は、波長４０５ｎｍ以上４４５ｎｍ以下を含む波長帯において複数のレーザ素子３０から各光ビームを発光する。回折面５１は、コリメータ光学系２５において波長帯における色収差を補正する。例えばこうした青色領域の共振波長帯において、光共振器２の発振効率を向上できる。
　本実施形態において、レーザ加工装置１は、光共振器２と、加工ヘッド１１とを備える。加工ヘッド１１光共振器２の出力カプラ１４から出力される光ビームを加工対象物１５に照射する。レーザ加工装置１は、本実施形態の光共振器２により、幅広い共振波長帯において発振効率を良くすることができる。
（他の実施形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
　上記の実施形態１では、回折レンズ５０を、軸上色収差を抑制するように設計したが、本実施形態の光共振器２はこれに限定されない。本実施形態において、光発振器２が、コリメータ光学系２５と各光学ユニット４のＢＴＵ４０との間の各々の光路長が異なるよう設計された場合、コリメータ光学系２５の回折レンズ５０により、各々の光路長に合わせて焦点距離が変化するように軸上色収差を発生させることも出来る。こうした場合の数値実施例を以下に示す。
　光学ユニット４－１のＢＴＵ４０とコリメータ光学系２５間の光路長：１００８．０ｍｍ
　光学ユニット４－２のＢＴＵ４０とコリメータ光学系２５間の光路長：９９８．１ｍｍ
　光学ユニット４－３のＢＴＵ４０とコリメータ光学系２５間の光路長：９８８．０ｍｍ
　上記のような各光学ユニット４－１，４－２，４－３の光路長のずれは、各々のレーザ素子３１，３２，３３の光路長のずれに対応する（図２参照）。このような光路長のずれに対して、コリメータ光学系２５において発生させる軸上色収差を図１６に示す。こうした軸上色収差のコリメータ光学系２５によると、光共振器２において、各レーザ素子３１～３３の共振波長帯λ１～λ３にわたる各種波長の戻り光を各々の焦点距離で集光し、実施形態１と同様に各々のスポットを各ＬＤ開口にて収束できる。よって、本実施形態の光共振器２においても、実施形態１と同様の効果が得られる。
　以上のように、本実施形態において、複数のレーザ素子３１～３３は、各レーザ素子３０からコリメータ光学系２５までの光路長を互いにずらして配置されてもよい。この場合、回折レンズ５０の回折面５１は、上記の光路長のずれに応じてコリメータ光学系２５において色収差を生じさせるように、各光ビームを回折する。このような複数の光ビームの波長λ１～λ３にわたる色収差の調整によっても、実施形態１と同様に複数の光ビームを共振させる効率を良くすることができる。
　上記の各実施形態では、レーザ光源１３が複数のＬＤアレイ３を含む光共振器２の構成例を説明したが、光共振器２の構成はこれに限定されない。本実施形態の光共振器２では、レーザ光源１３が１つのＬＤアレイ３で構成されてもよい。この場合であっても、ＬＤアレイ３に含まれる複数のレーザ素子３０による共振波長帯において色収差を補正して、複数の波長を有する光ビームを共振させる効率を良くすることができる。
　また、上記の各実施形態では、光共振器２の光源にＬＤアレイ３を用いる構成例を説明したが、コレに限定されない。本実施形態において、光共振器２の光源は、ＬＤアレイ３以外の光源アレイを用いてもよいし、アレイ状でない各種の半導体レーザなどのレーザ光源あるいは光源素子を用いて構成されてもよい。
　また、上記の各実施形態では、光共振器２のコリメータ光学系２５が、回折レンズ５０と屈折レンズ５５の２枚で構成される例を説明したが、コリメータ光学系２５はこれに限定されない。本実施形態において、コリメータ光学系２５は、３枚以上のレンズで構成されてもよいし、１枚のレンズで構成されてもよい。例えば、コリメータ光学系２５は、一方の面が回折面５１であり、他方の面が凸面などの屈折面である１枚のレンズで構成されてもよい。これによっても、コリメータ光学系２５は回折面５１を用いて色収差を補正して、実施形態１と同様の効果を得られる。
　また、上記の各実施形態では、光共振器２の共振波長帯が青色領域である例を説明した。本実施形態において、光共振器２の共振波長帯は上記に限定されず、例えば赤色領域であってもよく、例えば波長９００ｎｍ以上９５０ｎｍ以下であってもよい。
　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
　したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
　また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、複数の光ビームを共振させて用いる各種の用途に適用可能であり、例えば各種のレーザ加工技術に適用可能である。

Claims (11)

  1. 　互いに異なる波長を有する複数の光ビームを共振させる光共振器であって、
    　前記複数の光ビームをそれぞれ発光する複数の光源素子を含む光源と、
    　前記各光源素子からの光ビームの波長に応じた角度において各光ビームを回折する回折格子と、
    　前記回折格子において回折された光ビームの一部を反射して前記光源に戻し、当該光ビームの残部を出力する出力カプラと、
    　前記光源と前記回折格子との間に配置され、前記光源から入射する各光ビームをそれぞれコリメートして前記回折格子に出射する第１の光学系と
    を備え、
    　前記第１の光学系は、前記複数の光ビームの波長にわたる色収差を調整するように、前記各光ビームを回折する回折面を有する
    光共振器。
  2. 　前記第１の光学系は、１つ以上のレンズを含み、
    　前記回折面は、前記１つ以上のレンズにおける色収差を補正するように、前記各光ビームを回折する
    請求項１に記載の光共振器。
  3. 　前記第１の光学系は、
    　前記各光ビームを屈折する屈折レンズと、
    　前記回折面が設けられ、前記屈折レンズにおける色収差を補正する回折レンズとを含む
    請求項２に記載の光共振器。
  4. 　前記複数の光源素子は、各光源素子から前記第１の光学系までの光路長を互いにずらして配置され、
    　前記回折面は、前記光路長のずれに応じて前記第１の光学系において色収差を生じさせるように、前記各光ビームを回折する
    請求項１に記載の光共振器。
  5. 　前記第１の光学系は、前記複数の光ビームが入射する際に配列される所定方向において正の光学パワーを有し、
    　前記回折面は、前記所定方向において、前記第１の光学系の光学パワー以下で正の光学パワーに対応する
    請求項１～４のいずれか１項に記載の光共振器。
  6. 　前記回折面は、前記所定方向において複数の凹凸を繰り返す周期構造を有する
    請求項５に記載の光共振器。
  7. 　前記光源と前記第１の光学系との間に配置され、前記所定方向に対応する方向において、前記複数の光源素子から入射する各光ビームをコリメートして出射する第２の光学系をさらに備え、
    　前記第１の光学系は、前記所定方向において、前記第２の光学系から出射した各光ビームをコリメートして、前記回折面により色収差を補正する
    請求項５又は６に記載の光共振器。
  8. 　前記光源は、それぞれ複数の光源素子が設けられた複数の光源アレイを含み、
    　前記複数の光源アレイが配置された第１の段と、前記第１の光学系と前記回折格子と前記出力カプラとが配置された第２の段とが、互いに積み重ねるように設けられた
    請求項１～７のいずれか１項に記載の光共振器。
  9. 　前記光源と前記第１の光学系との間に配置され、前記光源からの各光ビームを反射して、前記第１の光学系に導光する反射光学系をさらに備える
    請求項１～８のいずれか１項に記載の光共振器。
  10. 　前記光源は、波長４０５ｎｍ以上４４５ｎｍ以下を含む波長帯において前記複数の光源素子から各光ビームを発光し、
    　前記回折面は、前記第１の光学系において前記波長帯における色収差を補正する
    請求項１～９のいずれか１項に記載の光共振器。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の光共振器と、
    　前記光共振器の出力カプラから出力される光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える
    レーザ加工装置。
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