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[Technischer Bereich]
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laservorrichtung.
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[Stand der Technik]
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Üblicherweise gibt es Halbleiter-Laservorrichtungen, die ein Halbleiterlaserelement, das Laserlicht aussendet, und ein optisches Element wie eine Linse, die die Verteilung des Laserlichts steuert, umfassen (siehe z.B. Patentliteratur (PTL) 1 und PTL 2).
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Die in PTL 1 und PTL 2 offenbarten Halbleitervorrichtungen umfassen jeweils eine Halbleiterlaseranordnung, die Laserlicht aussendet, eine Kondensorlinse, einen Linsenhalter und einen Kühlkörper. Die Kondensorlinse und der Linsenhalter haften an dem Kühlkörper.
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[Zitierliste]
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[Patentliteratur]
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- [PTL 1] Ungeprüfte Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2002-232064
- [PTL 2] Ungeprüfte Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2000-137139
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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Wenn eine Lichtquelle, wie z.B. ein Halbleiterlaser-Array, Licht aussendet, erzeugt die Lichtquelle Wärme. Außerdem dehnen sich die Lichtquelle und ein Sockel oder ähnliches, auf dem die Lichtquelle platziert ist, aufgrund der von der Lichtquelle erzeugten Wärme aus. Wenn die Lichtquelle Licht aussendet, wird daher die Position des Lichts, das durch ein optisches System wie eine Kondensorlinse läuft, von einer gewünschten Position verschoben. Dies stellt ein Problem dar, indem die optische Achse des Lichts (z.B. des Laserlichts), das von einer Halbleiter-Laservorrichtung ausgesendet wird, in Abhängigkeit von der von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtmenge oder, mit anderen Worten, in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, die der Lichtquelle zugeführt wird, damit Licht von der Lichtquelle ausgesendet wird, von der gewünschten Position verschoben wird.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Halbleiter-Laservorrichtung bereit, die eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Halbleiterlaserelement, das Laserlicht aussendet, und einer Linse, die das Laserlicht bündelt, aufrechterhalten kann.
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[Lösung des Problems]
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Eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst: ein Halbleiterlaserelement, das eine Vielzahl von Lichtaustrittspunkten aufweist, aus denen jeweils Laserlicht austritt; einen unteren Sockel, der mit dem Halbleiterlaserelement versehen ist; einen oberen Sockel, der von dem unteren Sockel elektrisch isoliert ist und das Halbleiterlaserelement zusammen mit dem unteren Sockel einschließt; eine Linse, die es ermöglicht, dass Laserlicht, das aus jedem der Vielzahl von Lichtaustrittspunkten austritt, eintritt, das Laserlicht, das eingetreten ist, bündelt und es ermöglicht, dass das Laserlicht, das gebündelt wurde, austritt; und einen Halter, der die Linse hält, wobei der Halter mit dem oberen Sockel verbunden ist.
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[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
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Eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Halbleiterlaserelement, das Laserlicht aussendet, und einer Linse, die das Laserlicht bündelt, aufrechterhalten.
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Figurenliste
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- [1] 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch darstellt.
- [2] 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtquellenmoduls, das in der Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der Ausführungsform enthalten ist.
- [3] 3 ist eine perspektivische Ansicht des Lichtquellenmoduls, das in der Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der Ausführungsform enthalten ist, in einem Zustand, in dem keine Linse und kein Halter vorgesehen sind.
- [4] 4 ist eine Querschnittsansicht des Lichtquellenmoduls, das in der Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der Ausführungsform enthalten ist, die entlang der in 2 gezeigten Linie IV-IV aufgenommen ist.
- [5] 5 ist eine Draufsicht auf das Lichtquellenmodul, welches in der Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der Ausführungsform enthalten ist.
- [6] 6 ist ein Diagramm, das die Beträge der Positionsänderungen des Halbleiterlaserelements und eines oberen Sockels in Bezug auf die an das Halbleiterlaserelement angelegten elektrischen Ströme zeigt.
- [7] 7 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einer Variante.
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[Beschreibung Ausführungsform]
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass alle im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind; daher sollen die Ausführungsformen keine Einschränkungen für die Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen. Die Zahlenwerte, Formen, Materialien, Strukturelemente, die Anordnung und Verbindung der Strukturelemente, Schritte, Reihenfolgen der Schritte usw., die in der nachfolgenden Ausführungsform dargestellt sind, sind lediglich Beispiele und sollen die vorliegende Offenbarung nicht einschränken.
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Darüber hinaus kann in den nachstehend offengelegten Ausführungsformen auf eine unnötig detaillierte Beschreibung verzichtet werden. So können beispielsweise detaillierte Beschreibungen von bereits allgemein bekannten Elementen und redundante Beschreibungen von im Wesentlichen gleichen Konfigurationen weggelassen werden. Dies soll dem Fachmann das Verständnis erleichtern, indem unnötig redundante Beschreibungen vermieden werden.
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Außerdem handelt es sich bei den Zeichnungen um schematische Darstellungen, die nicht notwendigerweise eine strenge genaue Abbildung darstellen. Daher stimmen Maßstäbe und dergleichen in den Zeichnungen nicht unbedingt überein. In den Zeichnungen wird im Wesentlichen dasselbe Element mit demselben Bezugszeichen bezeichnet, und redundante Beschreibungen zu im Wesentlichen demselben Element können weggelassen oder vereinfacht werden.
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In den folgenden Ausführungsformen definieren die Begriffe „obere/über“ und „untere/unter“ keine Aufwärtsrichtung (vertikal nach oben) und keine Abwärtsrichtung (vertikal nach unten) in der absoluten Raumwahrnehmung. Darüber hinaus gelten die Begriffe „obere/über“ und „untere/unter“ nicht nur für den Fall, dass zwei Strukturelemente mit einem Abstand zueinander und einem weiteren Strukturelement zwischen den beiden Strukturelementen angeordnet sind, sondern auch für den Fall, dass zwei Strukturelemente aneinanderhaftend und in Kontakt miteinander angeordnet sind.
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In der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen stellen die X-, Y- und Z-Achse drei Achsen in einem dreidimensionalen orthogonalen Koordinatensystem dar. In jeder Ausführungsform gibt die Richtung der Z-Achse die vertikale Richtung an, und eine Richtung senkrecht zur Z-Achse (eine Richtung parallel zur X-Y-Ebene) gibt die horizontale Richtung an.
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Darüber hinaus bezeichnet eine „Draufsicht“ in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Ansicht einer Aufstellfläche (Hauptfläche) eines Sockels, auf dem eine Lichtquelle platziert ist, aus einer Richtung senkrecht zur Aufstellfläche.
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[Ausführungsform]
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[Gesamtkonfiguration]
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1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration der Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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Die Halbleiter-Laservorrichtung 100 ist eine Laservorrichtung, die Laserlicht aussendet. Die Halbleiter-Laservorrichtung 100 wird beispielsweise als Lichtquelle einer Bearbeitungsvorrichtung verwendet, die ein Objekt mit Laserlicht bearbeitet.
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Die Halbleiter-Laservorrichtung 100 umfasst beispielsweise ein Lichtquellenmodul 200, eine Kollimatorlinse mit langsamer Achse (SAC - Slow Axis Collimator Linse) 160, eine Kondensorlinse 210, ein Wellenlängendispersionselement 140, einen Halbspiegel 150, eine Kondensorlinse 211 und ein Lichtwellenleiter 220.
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Das Lichtquellenmodul 200 ist eine Lichtquelle, die Licht aussendet (emittiertes Licht 300). In dieser Ausführungsform umfasst das Lichtquellenmodul 200 ein Halbleiter-Laserelement 110 mit einer Vielzahl von Verstärkern 111. Dementsprechend sendet das Halbleiterlaserelement 110 eine Vielzahl von Strahlen des emittierten Lichts 300 von einer Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112 aus, die einer Vielzahl von Verstärkern 111 entsprechen. Das emittierte Licht 300 ist zum Beispiel Laserlicht.
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Darüber hinaus umfasst das Lichtquellenmodul 200 eine Strahlenverdrehungslinseneinheit (BTU - Beam Twisted Lens Unit) 132, die das vom Halbleiterlaserelement 110 emittierte Licht 300 durchlässt. BTU 132 ist ein optisches Element, das das emittierte Licht 300 bündelt (genauer gesagt: kollimiert) und bewirkt, dass das emittierte Licht 300 um 90 Grad um die optische Achse des emittierten Lichts 300 gedreht wird. BTU 132 umfasst beispielsweise eine Kollimatorlinse mit schneller Achse (FAC - Fast Axis Collimator Linse), die die Richtung der schnellen Achse des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 kollimiert. In dieser Ausführungsform werden zwei Linsen, welches die FAC-Linse und die Kondensorlinse 210 sind, zur Kollimation der schnellen Achsenrichtung des emittierten Lichts 300 verwendet. Beachte, dass die Halbleiter-Laservorrichtung 100 keine Kondensorlinse 210 enthalten muss.
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Die Richtung der langsamen Achse des emittierten Lichts 300, das aus der BTU 132 austritt, wird durch die Kollimatorlinse 160 für die langsame Achse kollimiert und tritt dann in die Kondensorlinse 210 ein.
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Die Kondensorlinse 210 ist eine Kollimatorlinse für die schnelle Achse, die die Richtung der schnellen Achse des emittierten Lichts 300 kollimiert, das eingetreten ist. Die Kondensorlinse 210 kollimiert die Richtung der schnellen Achse des emittierten Lichts 300, das eingetreten ist, und bewirkt, dass das emittierte Licht 300 in das Wellenlängendispersionselement 140 eintritt. In dieser Ausführungsform sendet das Halbleiterlaserelement 110 das emittierte Licht 300 so aus, dass sich das emittierte Licht 300 in Richtung der Z-Achse, die die Richtung der schnellen Achse ist, und in Richtung der X-Achse, die die Richtung der langsamen Achse ist, bewegt.
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Das Wellenlängendispersionselement 140 ist ein optisches Element, das den Eintritt von emittiertem Licht 300 ermöglicht. Das Wellenlängendispersionselement 140 lässt mehrere Strahlen des emittierten Lichts 300, die eingetreten sind, austreten, so dass die mehreren Strahlen des emittierten Lichts 300 einen optischen Pfad durchlaufen. Mit anderen Worten, das Wellenlängendispersionselement 140 ist ein Multiplexer, der das emittierte Licht 300 multiplexiert. Das Wellenlängendispersionselement 140 umfasst ein Beugungsgitter, das beispielsweise auf einer Oberfläche angeordnet ist, durch die das emittierte Licht 300 eintritt. Das emittierte Licht 300 tritt durch das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Wellenlängendispersionselements 140 ein und tritt aus dem Wellenlängendispersionselement 140 aus, so dass das emittierte Licht 300 z.B. einen optischen Pfad durchläuft. Das Licht, das aus dem Wellenlängendispersionselement 140 austritt, so dass es durch einen optischen Pfad läuft, tritt in den Halbspiegel 150 ein. Das Wellenlängendispersionselement 140 kann ein transmissives Wellenlängendispersionselement sein, das mehrere Strahlen des emittierten Lichts 300 durchlässt, um die mehreren Strahlen des emittierten Lichts 300 zu multiplexen, oder es kann ein reflektierendes Wellenlängendispersionselement sein, das mehrere Strahlen des emittierten Lichts 300 reflektiert, um die mehreren Strahlen des emittierten Lichts 300 zu multiplexen.
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Der Halbspiegel 150 lässt einen Teil des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 durch und reflektiert den Rest, um das emittierte Licht 300 zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und dem Halbspiegel 150 in Resonanz zu bringen. Das vom Halbspiegel 150 reflektierte Licht 310 wandert zurück zum Halbleiterlaserelement 110, wird vom Halbleiterlaserelement 110 weiter reflektiert (insbesondere von einer Fläche auf der Rückseite einer Lichtaustrittsfläche, von der aus das emittierte Licht 300 im Halbleiterlaserelement 110 austritt) und wandert zurück zum Halbspiegel 150. Ein Teil des reflektierten Lichts 310, das zum Halbspiegel 150 zurückgelangt ist, wird vom Halbspiegel 150 weiter reflektiert und gelangt zurück zum Halbleiterlaserelement 110. Dadurch wird eine optische Resonanz zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und dem Halbspiegel 150 erzeugt. Dementsprechend sendet die Halbleiter-Laservorrichtung 100 Laserlicht 320 aus. Wie oben beschrieben, handelt es sich bei der Halbleiter-Laservorrichtung 100 um eine Halbleiter-Laservorrichtung mit externem Resonator, die das emittierte Licht 300 zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und dem Halbspiegel 150 in Resonanz bringt. Aus dem Halbspiegel 150 tritt Laserlicht 320 aus, das von einem externen Resonator mit dem Halbleiterlaserelement 110 und dem Halbspiegel 150 erzeugt wird. Das Laserlicht 320, das aus dem Halbspiegel 150 austritt, tritt in die Kondensorlinse 211 ein.
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Es ist zu beachten, dass die Halbleiter-Laservorrichtung 100 keinen externen Resonator (genauer gesagt, keinen Halbspiegel 150) enthalten muss. Die Halbleiter-Laservorrichtung 100 kann ein Halbleiterlaserelement 110 enthalten, welches unabhängig Laserlicht aussendet.
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Die Kondensorlinse 211 ist eine Koppellinse, die den Eintritt des Laserlichts 320 in den Lichtwellenleiter 220 bewirkt. Aus der Kondensorlinse 211 austretendes Laserlicht 320 tritt an einem Ende des Lichtwellenleiters 220 in diesen ein und am anderen Ende des Lichtwellenleiters 220 wieder aus.
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[Lichtquellenmodul]
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Im Folgenden wird eine Konfiguration des Lichtquellenmoduls 200 im Detail beschrieben.
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2, 3 und 4 sind jeweils ein Diagramm, das sich auf das Lichtquellenmodul 200 bezieht, das in der Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform enthalten ist. Insbesondere ist 2 eine perspektivische Ansicht des Lichtquellenmoduls 200, welches in der Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform enthalten ist. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Lichtquellenmoduls 200, das in der in 2 dargestellten Halbleiter-Laservorrichtung 100 enthalten ist, in einem Zustand, in dem die Linse 130 und der Halter 280 nicht vorhanden sind. 4 ist eine Querschnittsansicht des Lichtquellenmoduls 200, das in der Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform enthalten ist, die entlang der in 2 dargestellten Linie IV-IV aufgenommen wird.
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Das Lichtquellenmodul 200 ist eine Lichtquelle, die Licht 300 aussendet.
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Das Lichtquellenmodul 200 umfasst das Halbleiterlaserelement 110, den oberen Sockel 121, den unteren Sockel 122, den Kühlkörper 250, den Halter 280, die Plattform 290 und die BTU 132.
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Das Halbleiterlaserelement 110 ist eine Lichtquelle, die Licht 300 aussendet.
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Es ist zu beachten, dass die Wellenlänge des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 optional eingestellt werden kann. In dieser Ausführungsform sendet das Halbleiterlaserelement 110 blaues Licht aus. Blaues Licht ist zum Beispiel Licht, dessen mittlere Wellenlänge mindestens 430 nm und höchstens 470 nm beträgt. Das Halbleiterlaserelement 110 und der Halbspiegel 150 bilden zusammen einen externen Resonator. Damit wird Laserlicht als emittiertes Licht 300 vom Halbleiterlaserelement 110 abgestrahlt.
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In dieser Ausführungsform ist das Halbleiterlaserelement 110 ein Halbleiterlaserelement-Array, das eine Vielzahl von Verstärkern 111 umfasst (siehe 1) und von jedem Verstärker 111 emittiertes Licht 300 ausstrahlt. Mit anderen Worten umfasst das Halbleiterlaserelement 110 eine Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112, von denen aus das emittierte Licht 300 austritt. Selbstverständlich kann das Halbleiterlaserelement 110 eine Vielzahl von Laserelementen mit jeweils einem Lichtaustrittspunkt 112 umfassen.
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Es ist zu beachten, dass solange die Halbleiter-Laservorrichtung 100 in der Lage ist, Laserlicht als emittiertes Licht 300 auszusenden, muss die Halbleiter-Laservorrichtung 100 keine strukturellen Elemente zur Bildung eines externen Resonators enthalten, wie z. B. den in 1 gezeigten Halbspiegel 150. Darüber hinaus ist das für das Halbleiterlaserelement 110 zu verwendende Material nicht besonders eingeschränkt. Das Halbleiterlaserelement 110 ist zum Beispiel ein Halbleiterelement auf Galliumnitridbasis.
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Das Halbleiterlaserelement 110 sendet emittiertes Licht 300 durch Zufuhr von elektrischer Energie von einer externen, nicht dargestellten kommerziellen Stromversorgung oder ähnlichem aus.
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Das Halbleiterlaserelement 110 ist an der Oberseite des unteren Sockels 122 vorgesehen und daran befestigt, beispielsweise durch Hartlöten, Löten oder Ähnlichem. Darüber hinaus ist das Halbleiterlaserelement 110 in einer Konfiguration befestigt, in der das Halbleiterlaserelement 110 zwischen dem oberen Sockel 121 und dem unteren Sockel 122 angeordnet ist.
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Der Halter 280 ist ein Element, das die BTU 132 (genauer gesagt, die in der BTU 132 enthaltene Linse 130) hält (stützt). Der Halter 280 ist mit der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 verbunden (befestigt), z.B. durch Hartlöten, Löten oder dergleichen. In dieser Ausführungsform ist der Halter 280 in einer Seitenansicht U-förmig. Genauer gesagt ist der Halter 280 U-förmig, wenn man ihn aus einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des emittierten Lichts 300 und von einer Seite des Lichtquellenmoduls 200 aus betrachtet.
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Der Halter 280 umfasst beispielsweise ein Halteroberteil 281, ein Halterunterteil 282 und ein Halterstützteil 283. Das Halteroberteil 281, das Halterunterteil 282 und das Halterstützteil 283 sind in der angegebenen Reihenfolge miteinander verbunden.
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Zu beachten ist, dass das Halteroberteil 281, das Halterunterteil 282 und das Halterstützteil 283 einstückig ausgebildet sein können oder aus einzelnen Teilen bestehen können, die mit einer Schraube, einem Klebstoff oder ähnlichem verbunden sind.
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Das Halteroberteil 281 hat eine plattenartige Form und ist an der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 befestigt. Das Halteroberteil 281 ist beispielsweise mit einer Schraube, einem Klebstoff oder Ähnlichem an der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 befestigt, was nicht dargestellt ist. Darüber hinaus ist das Halteroberteil 281 mit dem Halterunterteil 282 an einem Endabschnitt auf der positiven Seite der Y-Achsenrichtung verbunden. Das für das Halteroberteil 281 zu verwendende Material ist nicht besonders eingeschränkt.
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Das Halterunterteil 282 hat eine plattenartige Form und erstreckt sich vom Endabschnitt des Halteroberteils 281 bis zur negativen Seite der Z-Achsenrichtung. Das Halterunterteil 282 ist zum Beispiel ein Element, das ein lichtdurchlässiges Material wie Quarz enthält. Somit tritt das vom Halbleiterlaserelement 110 emittierte Licht 300 durch die Linse 130 und das Halterunterteil 282 hindurch und tritt aus dem Lichtquellenmodul 200 aus.
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Zu beachten ist, dass das Halterunterteil 282 nicht lichtdurchlässig sein muss. In diesem Fall enthält das Halterunterteil 282 ein Durchgangsloch, durch das beispielsweise das von der Linse 130 (BTU 132) emittiertes Licht 300 hindurchtritt. Das Material, das in diesem Fall für das Halterunterteil 282 verwendet werden kann, ist nicht besonders beschränkt.
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Das Halteruntereil 282 ist mit dem Halterstützteil 283 an einem Endabschnitt auf der negativen Seite der Z-Achsenrichtung verbunden.
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Das Halterstützteil 283 ist eine Haltebasis, die die BTU 132 (genauer gesagt, die Linse 130) hält. In dieser Ausführungsform ist das Halterstützteil 283 ein Parallelepiped und erstreckt sich vom Endabschnitt des Halterunterteils 282 auf der negativen Seite der Z-Achsenrichtung zur negativen Seite der Y-Achsenrichtung. Darüber hinaus sind die Oberseite des Halterstützteils 283 und die Unterseite 130a der Linse 130 aneinander befestigt. Mit anderen Worten, der Halter 280 (genauer gesagt das Halterstützteil 283) hält die untere Fläche 130a der Linse 130.
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Darüber hinaus kann der Halter 280 einen Einstellmechanismus zum Halten der Linse 130 und zum Einstellen der Position und Ausrichtung der Linse 130 enthalten. In dieser Ausführungsform ist der Einstellmechanismus das Halterstützteil 283. Das Halterstützteil 283 ist zum Beispiel ein Goniometertisch oder ein Tisch, der sechs Achsen einstellen kann. Handelt es sich bei dem Halterstützteil 283 nicht um einen Einstellmechanismus, kann das Halterstützteil 283 ein Block mit einem optionalen Material sein.
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Außerdem ist die Länge des Halteroberteils 281 in Richtung der Y-Achse größer als die Länge des Halterunterteils 282 in Richtung der Z-Achse. Darüber hinaus ist das Halteroberteil 281 mit der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 verbunden (befestigt).
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Die Unterseite 130a der Linse 130 ist mit der Oberseite des Halterstützteils 283 durch Hartlöten, Löten oder ähnlichem verbunden. Die Unterseite des Halterstützteils 283 und der Kühlkörper 250 sind voneinander beabstandet.
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Es ist zu beachten, dass es nicht zwangsläufig erforderlich ist, dass das Halteroberteil 281 und die Oberseite des Halterstützteils 283 parallel zueinander sind. Die Form des Halters 280 ist nicht besonders auf die in der Ausführungsform beschriebene Form beschränkt.
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Außerdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halters 280 kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des oberen Sockels 121.
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Der obere Sockel 121 ist von dem unteren Sockel 122 elektrisch isoliert und dient als Sockel, der das Halbleiterlaserelement 110 zusammen mit dem unteren Sockel 122 einklemmt.
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Beispielsweise wird eine Dicke (in dieser Ausführungsform eine Breite in Richtung der Z-Achse) des oberen Sockels 121 als Dicke L1 bezeichnet, und eine Länge des Halterunterteils 282 (mit anderen Worten eine Länge in Richtung der Z-Achse des Halterunterteils 282 oder eine Länge des Halterunterteils 282 von der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 zu einer Halteposition der Linse 130) wird als Länge L2 bezeichnet. In diesem Fall ist das Lichtquellenmodul 200 so gestaltet, dass die Länge L2 größer ist als die Dicke L1. Insbesondere umfasst die Halterung 280 ein Stützelement, das die Linse 130 hält (Halterstützteil 283), und die Länge L2 des Halterunterteils 282 von der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 bis zur Halteposition der Linse 130 ist größer als die Dicke L1 des oberen Sockels 121. Eine Richtung, in der die Länge L2 gemessen wird, ist zum Beispiel parallel zu einer Richtung, in der die Dicke L1 gemessen wird.
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Der untere Sockel 122 ist ein Sockel mit dem Halbleiterlaserelement 110. Das Halbleiterlaserelement 110 ist an der Oberseite des unteren Sockels 122 angebracht. In dieser Ausführungsform ist ein Teil der oberen Fläche des unteren Sockels 122, auf dem das Halbleiterlaserelement 110 angeordnet ist, niedriger als der Rest der oberen Fläche des unteren Sockels 122. Das Halbleiterlaserelement 110 wird von dem unteren Sockel 122 gehalten, so dass das Halbleiterlaserelement 110 zwischen dem oberen Sockel 121 und dem unteren Sockel 122 liegt.
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Das Material, das für den oberen Sockel 121 und den unteren Sockel 122 zu verwenden ist, ist nicht besonders beschränkt. Das Material, das für den oberen Sockel 121 und den unteren Sockel 122 verwendet wird, kann beispielsweise ein metallisches Material, ein Harzmaterial oder ein Keramikmaterial sein.
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Außerdem ist die Form des oberen Sockels 121 und des unteren Sockels 122 nicht besonders beschränkt.
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Der obere Sockel 121 und der untere Sockel 122 sind mit Schrauben 190 miteinander verbunden, die beispielsweise in die Schraubenlöcher des unteren Sockels 122 eingepasst (genauer gesagt: eingeschraubt) sind. Der untere Sockel 122 enthält insbesondere die Schraubenlöcher. Darüber hinaus weist der obere Sockel 121 Durchgangslöcher an Positionen auf, die den Schraublöchern entsprechen. In den Durchgangslöchern sind Schrauben 190 vorgesehen. Die Schrauben 190 sind mit den Schraubenlöchern verschraubt.
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Zu beachten ist, dass der obere Sockel 121 und der untere Sockel 122 elektrisch voneinander isoliert sein können. Zwischen dem oberen Sockel 121 und dem unteren Sockel 122 ist zum Beispiel ein nicht abgebildetes Isoliermaterial mit elektrischen Isoliereigenschaften angeordnet. Das Isoliermaterial ist z. B. eine Isolierfolie. Solange die Isolierfolie elektrische Isolationseigenschaften hat, kann ein beliebiges Material verwendet werden.
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Darüber hinaus enthält das Lichtquellenmodul 200 Durchgangslöcher, die den oberen Sockel 121 und den unteren Sockel 122 durchdringen und bis zum Kühlkörper 250 reichen. In den Durchgangslöchern sind Schrauben vorgesehen, die nicht abgebildet sind. Mit diesen Schrauben werden der obere Sockel 121, der untere Sockel 122 und der Kühlkörper 250 miteinander verschraubt.
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Außerdem enthält das Lichtquellenmodul 200 zwei Durchgangslöcher 191. Die beiden Durchgangslöcher 191 sind so angeordnet, dass in einer Draufsicht das Halbleiterlaserelement 110 zwischen den beiden Durchgangslöchern 191 in einer Richtung (in dieser Ausführungsform die Richtung der X-Achse) orthogonal zur optischen Achse des emittierten Lichts 300 angeordnet ist, das beispielsweise vom Halbleiterlaserelement 110 ausgesendet werden soll. Darüber hinaus ist in der Draufsicht der Abstand von der Mitte des Durchgangslochs 191 zum Halbleiterlaserelement 110 für beide Durchgangslöcher 191 gleich groß.
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Der Kühlkörper 250 ist eine Basis, auf der der untere Sockel 122 des Lichtquellenmoduls 200 platziert ist. Der Kühlkörper 250 dient zur Ableitung der Wärme des unteren Sockels 122. Das für den Kühlkörper 250 zu verwendende Material ist nicht besonders beschränkt. Ein für den Kühlkörper 250 zu verwendendes Material kann zum Beispiel Metall oder Keramik sein. Darüber hinaus kann der Kühlkörper 250 mit einem Kanal für den Durchfluss von Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, versehen sein. Der Durchfluss von Flüssigkeit wie Wasser durch den Kanal kann die Wärmeableitung des Kühlkörpers 250 verbessern.
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Die Plattform 290 ist eine Basis, auf der der Kühlkörper 250 platziert wird. Das für die Plattform 290 verwendete Material und die Form der Plattform 290 sind nicht besonders beschränkt.
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BTU 132 ist ein optisches System, das das vom Halbleiterlaserelement 110 emittierte Licht 300 mit Hilfe der Linse 130 bündelt und das emittierte Licht 300, das gebündelt wurde, um 90 Grad um die optische Achse des emittierten Lichts 300 mit Hilfe des optischen 90-Grad-Bilddrehsystems 131 drehen lässt. Der in der japanischen Patentanmeldung Nr.
2000-137139 offengelegte optische Lichtstromwandler ist ein Beispiel für BTU 132. In dieser Ausführungsform umfasst BTU 132 beispielsweise die Linse 130 und das optische 90-Grad-Bilddrehsystem 131.
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Die Linse 130 ist ein optisches Element, das den Eintritt von emittiertem Licht 300, das aus jedem der mehreren Lichtaustrittspunkte 112 ausgetreten ist, ermöglicht, das emittierte Licht 300, das eingetreten ist, bündelt und den Austritt des gebündelten emittierten Lichts 300 ermöglicht. Bei der Linse 130 handelt es sich zum Beispiel um eine Kollimatorlinse mit schneller Achse.
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Die Kollimatorlinse mit schneller Achse ist eine Kollimatorlinse, die die Richtung der schnellen Achse des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 kollimiert.
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Das optische 90-Grad-Bilddrehsystem 131 ist ein optisches Element, das zwischen der Richtung der schnellen Achse des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 und der Richtung der langsamen Achse des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Lichts 300 umschaltet. Insbesondere ist das optische 90-Grad-Bilddrehsystem 131 ein optisches Element, das bewirkt, dass das emittierte Licht 300, das durch die Linse 130 konzentriert (genauer gesagt kollimiert) wurde, um 90 Grad um die optische Achse des oben erwähnten emittierten Lichts 300 gedreht wird.
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Die Linse 130 und das optische 90-Grad-Bilddrehsystem 131 bestehen beispielsweise aus Glas, Harz oder ähnlichem, das lichtdurchlässig ist, und sind einteilig ausgebildet.
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Zu beachten ist, dass die Halbleiter-Laservorrichtung 100 in dieser Ausführungsform eine einzelne BTU 132 enthält, aber die Form der BTU 132 und die Anzahl der BTUs 132, die in der Halbleiter-Laservorrichtung 100 enthalten sind, sind nicht besonders beschränkt.
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[Lagebeziehung]
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Als nächstes wird die Lagebeziehung zwischen der Linse 130 und dem Halbleiterlaserelement 110 im Lichtquellenmodul 200 beschrieben.
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Wenn das Halbleiterlaserelement 110 emittiertes Licht 300 aussendet, erzeugt das Halbleiterlaserelement 110 Wärme. Diese Wärmeerzeugung führt dazu, dass sich der obere Sockel 121 thermisch ausdehnt und sich in Richtung der Z-Achse verschiebt (verändert).
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Hier ist das Halteroberteil 281 mit dem oberen Sockel 121 verbunden. Zum Beispiel ist das Halteroberteil 281 mit der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 verbunden. Aus diesem Grund verschiebt sich der Halter 280 in Richtung der Z-Achse nur um den Betrag der Verschiebung aufgrund der Wärmeausdehnung des oberen Sockels 121.
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In der Zwischenzeit dehnt sich der Halter 280 aufgrund der von dem oberen Sockel 121 abgeleiteten Wärme auch thermisch aus. In diesem Fall besteht der Halter 280 zum Beispiel aus Quarz, und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Quarz ist kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des oberen Sockels 121, der zum Beispiel aus Metall besteht. Aus diesem Grund ist, wenn der Halter 280 und der obere Sockel 121 die gleiche Breite (Dicke) haben, der Betrag der Verschiebung des Halters 280 aufgrund von Wärmeausdehnung kleiner als der Betrag der Verschiebung des oberen Sockels 121 aufgrund von Wärmeausdehnung.
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Da in dieser Ausführungsform die Linse 130 mit der Oberseite des Halterstützteils 283 verbunden ist, kann die Länge L2, d.h. die Länge von der Oberseite 121a bis zur Halteposition der Linse 130 (in dieser Ausführungsform die Unterseite 130a der Linse 130) am Halterstützteil 283 größer ausgeweitet sein als die Dicke L1, d.h. die Dicke des oberen Sockels 121. Folglich kann der Betrag der Verschiebung des unteren Halterunterteils 282 in Richtung der Z-Achse aufgrund der thermischen Ausdehnung dem Betrag der Verschiebung des oberen Sockels 121 aufgrund der thermischen Ausdehnung angenähert werden.
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Daher ist es gemäß der Halbleiter-Laservorrichtung 100 (genauer gesagt dem Lichtquellenmodul 200) möglich, eine Änderung der relativen Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 in Richtung der Z-Achse zu unterdrücken, bevor und nachdem das Halbleiterlaserelement 110, der obere Sockel 121 und der Halter 280 eine thermische Ausdehnung erfahren haben.
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Da das Material des Halters 280 und die Länge des Halterunterteils 282 einen Freiheitsgrad in Bezug auf das Design haben, kann eine Designänderung so vorgenommen werden, dass die Verschiebung der relativen Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 in Richtung der Z-Achse vor und nach der thermischen Ausdehnung gleich Null ist.
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Darüber hinaus ist der obere Sockel 121 mit dem unteren Sockel 122 verbunden, um das Halbleiterlaserelement 110 zusammenzuhalten. Aus diesem Grund verschieben sich weder das Halbleiterlaserelement 110 noch die Linse 130 aufgrund von Wärmeausdehnung in Richtung der X-Achse. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 in der X-Achsenrichtung konstant gehalten.
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Darüber hinaus kann eine Konfiguration, bei der der Halter 280 eine U-Form hat und die Linse 130 mit der Oberseite des Halterstützteils 283 verbunden ist, die Last auf einen Verbindungsabschnitt zwischen dem Halter 280 und der Linse 130 in Richtung der Schwerkraft unterdrücken. Dementsprechend kann die Linse 130 stabiler gehalten werden.
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[Vorteilhafte Auswirkungen, usw.]
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Wie oben beschrieben, umfasst die Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform ein Halbleiterlaserelement 110, das eine Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112 aufweist, aus denen jeweils Laserlicht (emittiertes Licht 300) austritt; einen unteren Sockel 122, der mit dem Halbleiterlaserelement 110 versehen ist; einen oberen Sockel 121, der von dem unteren Sockel 122 elektrisch isoliert ist und das Halbleiterlaserelement 110 zusammen mit dem unteren Sockel 122 einzwängt; eine Linse 130, die es dem emittierten Licht 300, das aus jedem der Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112 austritt, ermöglicht, einzutreten, das emittierte Licht 300, das eingetreten ist, zu bündeln und das emittierte Licht 300, das gebündelt wurde, austreten zu lassen; und einen Halter 280, der die Linse 130 hält. Die Halterung 280 ist mit dem oberen Sockel 121 verbunden. Zum Beispiel ist Halteroberteil 281 mit der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 verbunden.
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Damit kann, wie oben beschrieben, ein Betrag der Verschiebung des Halbleiterlaserelements 110 aufgrund der thermischen Ausdehnung äquivalent zu einem Betrag der Verschiebung des oberen Sockels 121 aufgrund der thermischen Ausdehnung sein, selbst wenn sich das Halbleiterlaserelement 110 und der obere Sockel 121 aufgrund der vom Halbleiterlaserelement 110 erzeugten Wärme thermisch ausdehnen. Aus diesem Grund ist es gemäß der Halbleiter-Laservorrichtung 100 möglich, eine relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110, das Laserlicht emittiert, und der Linse 130, die das Laserlicht bündelt, beizubehalten.
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5 ist eine Draufsicht auf das Lichtquellenmodul 200, das in der Halbleiter-Laservorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform enthalten ist. 6 ist ein Diagramm, das die Änderungsbeträge (Verschiebungsbeträge) in den Positionen des Halbleiterlaserelements 110 und des oberen Sockels 121 in Bezug auf die an das Halbleiterlaserelement 110 angelegten elektrischen Ströme zeigt. Insbesondere ist 6 ein Diagramm, das die Beträge der Verschiebung in der Höhe (in dieser Ausführungsform in Richtung der Z-Achse) an jeder der mit Nr. 1 bezeichneten Positionen an der in 5 dargestellten oberen Fläche 121a, der mit Nr. 2 bezeichneten Position an der in 5 dargestellten oberen Fläche 121a und einer Position des Lichtaustrittspunkts 112 in Bezug auf die an das Halbleiterlaserelement 110 angelegten elektrischen Ströme zeigt.
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Wie in 6 dargestellt, ändert sich ein Betrag der Verschiebung von jeder der mit Nr. 1 bezeichneten Position an der in 5 gezeigten oberen Fläche 121a, der mit Nr. 2 bezeichneten Position an der in 5 gezeigten oberen Fläche 121a und der Position des Lichtaustrittspunkts 112 in einer Höhenrichtung (Z-Achsenrichtung) in Bezug auf einen an das Halbleiterlaserelement 110 angelegten elektrischen Strom in ähnlicher Weise. Aus diesem Grund ist es unabhängig vom Anlegen eines elektrischen Stroms an das Halbleiterlaserelement 110 möglich, eine relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110, das Laserlicht aussendet, und der Linse 130, die das Laserlicht bündelt, beizubehalten. Insbesondere ist das Halbleiterlaserelement 110 ein so genannter Multi-Emitter mit einer Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112. Da die Gesamtausgangsleistung des Laserlichts, das vom Halbleiterlaserelement 110, welches eine Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112 umfasst, erzeugt wird, im Vergleich zum so genannten Einzelemitter, der ein Halbleiterlaserelement ist, welches einen einzigen Lichtaustrittspunkt umfasst, tendenziell groß ist, ist die vom Halbleiterlaserelement 110 erzeugte Wärmemenge tendenziell groß. Aus diesem Grund ist die Halbleiter-Laservorrichtung 100 mit einer Konfiguration, bei der eine relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 beibehalten werden kann, selbst wenn Laserlicht vom Halbleiterlaserelement 110 emittiert wird, besonders effektiv für eine Konfiguration, bei der die Halbleiter-Laservorrichtung 100 ein Halbleiterlaserelement 110 enthält, das eine Vielzahl von Lichtaustrittspunkten 112 umfasst.
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Außerdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halters 280 kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des oberen Sockels 121.
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Wie oben beschrieben, kann ein Betrag der Verschiebung des Halbleiterlaserelements 110 einem Betrag der Verschiebung des oberen Sockels 121 entsprechen, indem der Halter 280 resistent gegen thermische Ausdehnung gemacht wird. Dementsprechend kann eine relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110, das Laserlicht aussendet, und der Linse 130, die das Laserlicht bündelt, beibehalten werden.
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Darüber hinaus umfasst der Halter 280 ein Stützelement (Halterstützteil 283), das beispielsweise die Linse 130 hält. Zum Beispiel ist die Länge des Halters 280 (die Länge L2 des Halterunterteils 282) von der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 bis zu einer Halteposition der Linse 130 größer als die Dicke L1 des oberen Sockels 121.
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Auf diese Weise kann die relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110, das Laserlicht emittiert, und der Linse 130, die das Laserlicht bündelt, leicht beibehalten werden.
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Außerdem hat der Halter 280 in der Seitenansicht beispielsweise die Form eines U. Zusätzlich hält der Halter 280 beispielsweise die Unterfläche 130a der Linse 130.
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Gemäß dem Obigen kann der Halter 280 die Linse 130 von der Gravitationsrichtungsseite aus halten, auf der die Schwerkraft auf die Linse 130 einwirkt, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Linse 130 über die obere Fläche oder eine Seitenfläche der Linse 130 gehalten wird. Aus diesem Grund kann die Linse 130 weiter stabil gehalten werden, während eine relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 beibehalten wird.
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Darüber hinaus verfügt der Halter 280 beispielsweise über einen Einstellmechanismus zum Halten der Linse 130 und zum Einstellen der Position und Ausrichtung der Linse 130.
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Auf diese Weise können eine Position und eine Ausrichtung der Linse 130 auf geeignete Zustände eingestellt und die Position und die Ausrichtung der Linse 130 fixiert werden.
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[Variante]
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7 ist eine Querschnittsansicht des Lichtquellenmoduls 200a, das in einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einer Variante enthalten ist. Zu beachten ist, dass der in 7 gezeigte Querschnitt einem in 4 gezeigten Querschnitt entspricht.
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Das Lichtquellenmodul 200a unterscheidet sich vom Lichtquellenmodul 200 durch die Form des Halters und die Halteposition der Linse 130.
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Das Lichtquellenmodul 200a ist ein Modul, das Laserlicht aussendet (z.B. das in 1 gezeigte emittierte Licht 300).
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Das Lichtquellenmodul 200a umfasst das Halbleiterlaserelement 110, den oberen Sockel 121, den unteren Sockel 122, den Kühlkörper 250, den Halter 280a, die Plattform 290 und die BTU 132.
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Der Halter 280a ist mit der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 verbunden, z.B. durch Hartlöten, Löten oder dergleichen. In dieser Variante hat der Halter 280a in der Seitenansicht die Form eines L. Insbesondere ist der Halter 280a L-förmig und umfasst das Halteroberteil 281 und das Halterstützteil 283a. Genauer gesagt hat der Halter 280 eine L-Form, wenn man ihn aus einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des vom Halbleiterlaserelement 110 emittierten Laserlichts und von einer Seite des Lichtquellenmoduls 200a aus betrachtet. Das Halteroberteil 281 und das Halterstützteil 283a sind miteinander verbunden.
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Das Halteroberteil 281 hat eine plattenartige Form und ist an der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 befestigt. Das Halteroberteil 281 ist beispielsweise mit einer Schraube, einem Klebstoff oder ähnlichem an der oberen Fläche 121a des oberen Sockels 121 befestigt, was nicht dargestellt ist. Darüber hinaus ist das Halteroberteil 281 an einem Endabschnitt auf der positiven Seite der Y-Achsenrichtung mit dem Halterstützteil 283a verbunden.
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Zu beachten ist, dass das Halteroberteil 281 und das Halterstützteil 283a einstückig ausgebildet sein können oder aus einzelnen Teilen bestehen können, die mit Schrauben, Klebstoff oder ähnlichem verbunden sind.
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Das Halterstützteil 283a hat eine plattenartige Form und erstreckt sich auf der negativen Seite der Z-Achsenrichtung vom Endabschnitt des Halteroberteils 281.
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Das für das Halterstützteil 283a zu verwendende Material ist nicht besonders beschränkt. Darüber hinaus kann das Halterstützteil 283a der oben beschriebene Einstellmechanismus sein.
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Außerdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halters 280a kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des oberen Sockels 121.
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Darüber hinaus hält (stützt) bei dieser Variante der Halter 280a die obere Fläche 130b der Linse 130. Insbesondere ist das Halterstützteil 283a mit der oberen Fläche 130b der Linse 130 verbunden, wodurch die Linse 130 über die obere Fläche 130b gehalten wird. Beispielsweise ist die obere Fläche 130b der Linse 130 mit der unteren Fläche des Halterstützteils 283a durch Hartlöten, Löten oder Ähnlichem verbunden.
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Darüber hinaus ist die Länge L22, d.h. die Länge des Halterstützteils 283a von der Oberseite 121a des oberen Sockels 121 bis zur Halteposition der Linse 130 (Oberseite 130b der Linse 130) geringer als die Dicke L1 des oberen Sockels 121.
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Wie oben beschrieben, hat der Halter 280a in dieser Variante in der Seitenansicht die Form eines L. Darüber hinaus hält der Halter 280a beispielsweise die obere Fläche 130b der Linse 130.
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Gemäß den obigen Ausführungen kann die Konfiguration des Halters 280a im Vergleich zum Halter 280 vereinfacht werden, wobei die relative Lagebeziehung zwischen dem Halbleiterlaserelement 110 und der Linse 130 beibehalten wird.
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[Andere Ausführungsformen]
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Vorstehend wurden Halbleiter-Laservorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf der Grundlage der Ausführungsformen beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, können verschiedene Modifikationen, die von einem Fachmann erdacht werden können, und Ausführungsformen, die durch die Kombination von Strukturelementen in verschiedenen Ausführungsformen erreicht werden, in den Bereich des einen oder der mehreren Aspekte der vorliegenden Offenbarung fallen.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird als Lichtquelle einer Bearbeitungsvorrichtung verwendet, die beispielsweise für die Laserlichtbearbeitung eingesetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Halbleiter-Laservorrichtung
- 110
- Halbleiterlaserelement
- 111
- Verstärker
- 112
- Lichtaustrittspunkt
- 121
- oberer Sockel
- 121a, 130b
- obere Fläche
- 122
- unterer Sockel
- 130
- Linse
- 130a
- Unterseite
- 131
- Optisches 90-Grad-Bilddrehsystem
- 132
- BTU
- 140
- Wellenlängendispersionselement
- 150
- Halbspiegel
- 160
- Kollimatorlinse mit langsamer Achse
- 190
- Schraube
- 191
- Durchgangsloch
- 200, 200a
- Lichtquellenmodul
- 210
- Kondensorlinse
- 211
- Kondensorlinse
- 220
- Lichtwellenleiter
- 250
- Kühlkörper
- 280, 280a
- Halter
- 281
- Halteroberteil
- 282
- Halterunterteil
- 283, 283a
- Halterstützteil
- 290
- Plattform
- 300
- emittiertes Licht
- 310
- reflektiertes Licht
- 320
- Laserlicht
- L1
- Dicke
- L2, L22
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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