JP2004047650A

JP2004047650A - Laser apparatus

Info

Publication number: JP2004047650A
Application number: JP2002201902A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nagano; 永野　和彦; Yoji Okazaki; 岡崎　洋二; Teruhiko Kuramachi; 蔵町　照彦
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP4368563B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a collimator lens to be aligned accurately, in a state in which its optical axis is disposed on a light-emitting axis of each laser diode in a laser apparatus, in which the plurality of laser diodes are aligned at light-emitting points in one direction. <P>SOLUTION: In the laser apparatus including the plurality of laser diodes 12, a block 11 in which the diodes 12 are fixedly held, in such a manner that the light emitting points 12a are aligned in one direction, and a collimator lens array 14, in which a plurality of collimator lenses 14a for parallelizing laser beams 12B from the diodes 12 are integrated and aligned in one direction, a smooth lens-defining surface 11b perpendicular to a light-emitting axis O is formed at a predetermined distance from the point 12a of the diode 12, at a forward side from a laser diode fixing part of the block 11. The array 14 is fixed to the block 11, in a state in which one end face of the array 14 matches the surface 11b. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置に関し、特に詳細には、複数のレーザーダイオードが複数個並べてブロックに固定されてなるレーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザー励起固体レーザーから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーや、エキシマレーザーや、Ａｒレーザーが実用に供されている。
【０００３】
さらには近時、例えば１９９８年発行のＪｐｎ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７．ｐ．Ｌ１０２０に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発するＧａＮ系半導体レーザー（レーザーダイオード）も提供されている。
【０００４】
このような波長のレーザービームを発する光源は、３５０〜４２０ｎｍの紫外領域を含んだ所定の波長域（以下「紫外域」という）に感度を有する感光材料を露光する露光装置において、露光用光源として適用することも考えられている。その場合の露光用光源は、当然ながら、感光材料を感光させるのに十分な出力を備えることが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記エキシマレーザーは、装置が大型で、コストやメンテナンスコストも高いという問題がある。
【０００６】
また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーは、波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは極めて困難になっている。現在のところは、３０Ｗの半導体レーザーで固体レーザー媒質を励起して１０Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、それを３Ｗの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に変換し、それら両者の和周波である１Ｗの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を得る、というのが現在の実用レベルである。その場合の半導体レーザーの電気−光効率は５０％程度であり、そして紫外光への変換効率は１．７％程度と非常に低いものとなっている。そしてこのような波長変換レーザーは、高価な光波長変換素子を用いるために、コストがかなり高いものとなっている。
【０００７】
またＡｒレーザーは電気−光効率が０．００５％と非常に低く、寿命が１０００時間程度と非常に短いという問題がある。
【０００８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザーについては、低転位のＧａＮ結晶基板が得られないことから、ＥＬＯＧという成長方法によって約５μｍ程度の低転位領域を作り出し、その上にレーザー領域を形成して高出力化と高信頼性を実現する試みがなされている。しかし、こうして作製されるＧａＮ系半導体レーザーにおいても、大面積に亘って低転位の基板を得るのが難しいので、５００ｍＷ〜１Ｗ級の高出力なものは未だ商品化されていない。
【０００９】
また、半導体レーザーの高出力化の別の試みとして、例えば１つで１００ｍＷの光を出力するキャビティを１００個形成することで１０Ｗの出力を得るようなことも考えられているが、１００個程度の多数のキャビティを高歩留まりで作成することは、ほとんど現実性が無いと言える。特に、シングルキャビティの場合でも９９％以上の高歩留まり化は困難であるＧａＮ系半導体レーザーにあっては、なおさらである。
【００１０】
本出願人は上記の事情に鑑みて、先に特願２０００−２７３８４９号および同−２７３８７０号において、特に高出力が得られるレーザー装置を提案した。
【００１１】
特願２０００−２７３８４９号のレーザー装置は、複数のレーザーダイオードと、１本のマルチモード光ファイバーと、上記複数のレーザーダイオードからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で上記マルチモード光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなるものである。このレーザー装置の好ましい実施の形態において、上記複数のレーザーダイオードは、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配設される。一方特願２０００−２７３８７０号のレーザー装置は、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップが、複数個並べて固定されてなるものである。
【００１２】
上記のように、複数のレーザーダイオードが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置において、通常複数のレーザーダイオードは、ＣｕまたはＣｕ合金製の放熱ブロック等のブロックに固定保持される。
【００１３】
また、複数のレーザーダイオードからはそれぞれレーザービームが発散光状態で発せられるので、それらのレーザービームを１点に集束させる等の場合は、まず発散光状態のレーザービームをコリメーターレンズに通して平行光化する必要がある。その際各コリメーターレンズは、互いに別個に配設されてもよいし、あるいは複数が一列に並ぶ状態に一体化されてコリメーターレンズアレイを構成していてもよいが、とにかく、レンズ光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせする必要がある。もしこの位置合わせが正確になされないと、複数のレーザービームを小さなスポットに集束させることができないので、例えばそれらのレーザービームで前述のように感光材料を感光させて画像露光する場合は、精細な画像露光が不可能になる等の問題が生じる。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、複数のレーザーダイオードが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置において、コリメーターレンズを、光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせ可能とすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザー装置は、前述したように、
複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、
上記レーザーダイオードから発せられたレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイとを備えてなるレーザー装置において、
上記ブロックの複数のレーザーダイオードを固定した部分よりも前方側（レーザービームの射出方向側）に、該レーザーダイオードの発光点から所定距離離れて、該レーザーダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成され、
このレンズ規定面に前記コリメーターレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメーターレンズアレイが前記ブロックに固定されていることを特徴とするものである。
【００１６】
なお上記ブロックのレンズ規定面の平面度は、０．５μｍ以下とされていることが望ましい。また該ブロックのレーザーダイオードを固定する面の平面度も０．５μｍ以下とされていることが望ましい。
【００１７】
また上記複数のレーザーダイオードは、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップからなることが好ましい。その場合は、マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることがさらに望ましい。
【００１８】
あるいはそれに限らず、上記複数のレーザーダイオードは、１つの発光点を有するシングルキャビティレーザーダイオードチップが複数並設されたものであってもよい。
【００１９】
そして上述のような複数のレーザーダイオードは、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が前記発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数並べて配設されていることが望ましい。
【００２０】
さらに本発明のレーザー装置においては、複数のレーザーダイオードが前述のブロックに対して、ジャンクションダウン構造で固定されていることが望ましい。なお、このジャンクションダウン構造とは、基板側ではなく、素子形成面側（ｐｎ接合側）を熱伝導率が大きい放熱用マウントに固定する構造である。
【００２１】
また本発明のレーザー装置においては、レーザーダイオードとして、チップ状態の窒化物系化合物レーザーダイオードが用いられ、
このレーザーダイオードがサブマウントを介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック上に実装され、
前記サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０^−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成され、
このサブマウントに対して前記レーザーダイオードが、両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を複数に分割して、ジャンクションダウン構造で分割接着されていることが望ましい。
【００２２】
そのような構成とする場合、サブマウントはＡｌＮからなるものであることが望ましい。
【００２３】
また上記サブマウントは前記ＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロックに対して、ＡｕＳｎ共晶点半田によって接着されていることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置は、ブロックの複数のレーザーダイオードを固定した部分よりも前方側に、該レーザーダイオードの発光点から所定距離離れて、該レーザーダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成され、このレンズ規定面にコリメーターレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメーターレンズアレイが前記ブロックに固定されるものであるので、上記状態にしておきながらコリメーターレンズアレイを動かすことにより、コリメーターレンズをレーザーダイオードの発光軸に垂直な面内で移動させて、レンズ光軸が上記発光軸に一致する状態に正確かつ簡単に位置合わせすることができる。
【００２５】
そしてこの位置合わせが完了した後に、上記状態を保ったままコリメーターレンズアレイをブロックに固定すれば、コリメーターレンズアレイは必ずその上記一端面がレーザーダイオードの発光点から上記所定距離だけ離れた状態で固定されることになる。したがって上記所定距離を、コリメーターレンズの焦点位置がレーザーダイオードの発光点に来るようになる距離にしておけば、コリメーターレンズの光軸方向位置も必ず適正な位置、つまり発散光であるレーザービームを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００２６】
なおコリメーターレンズアレイを上記ブロックに固定するためには、コリメーターレンズアレイの上記一端面とブロックのレンズ規定面とを固着してもよいし、あるいは該アレイの上記一端面とは別の例えば光軸に平行な面を、ブロックにおいてレーザーダイオードの発光軸と平行に形成された固定面に固着してもよい。
【００２７】
ここで、上記ブロックのレンズ規定面の平面度が０．５μｍ以下とされている場合は、このブロックにコリメーターレンズアレイを固定する際の該アレイの動きを抑制して、正確に位置合わせすることが可能になる。
【００２８】
また、ブロックのレーザーダイオードを固定する面の平面度が０．５μｍ以下とされている場合は、このブロックにレーザーダイオードを例えばロウ材で固定する際の該レーザーダイオードの動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００２９】
また複数のレーザーダイオードが、複数の発光点を有することによりそれ自身高出力であるマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、ブロックに固定されてなる場合は、特に高い出力が得られるものとなる。
【００３０】
また複数のレーザーダイオードが、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数配設されている場合は、より多数のレーザーダイオードを高密度に配置して特に高出力の合波ビームを得ることが可能になる。
【００３１】
また本発明のレーザー装置において、レーザーダイオードとして、チップ状態の窒化物系化合物レーザーダイオードが用いられ、このレーザーダイオードがサブマウントを介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック上に実装され、前記サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０^−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成され、このサブマウントに対して前記レーザーダイオードが、両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を複数に分割して、ジャンクションダウン構造で分割接着されている場合は、コストが低く熱伝導性も高いＣｕまたはＣｕ合金から形成された放熱ブロックを用いたことにより、レーザーダイオードが発する熱を良好に放熱することができ、そして安価に作製可能となる。またこの場合は、サブマウントに対してレーザーダイオードがジャンクションダウン構造で固定されていることにより、レーザーダイオードの基板側をサブマウントに固定する場合と比べてその発光部がサブマウントに、ひいては放熱ブロックに対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【００３２】
またＡｕＳｎ共晶点半田は経時位置変化特性に優れているので、それによりレーザーダイオードとサブマウントとが接着されていれば、レーザーダイオードの発光点位置の経時的変動を効果的に抑制できるものとなる。
【００３３】
さらに上記の構成においては、サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０^−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成されていることにより、半田接着時の熱歪によってレーザーダイオードが劣化することも防止可能となる。その理由については、後に示す本発明の実施の形態に沿って詳しく説明する。
【００３４】
さらに、サブマウントとレーザーダイオードの両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田が複数に分割されていれば、この接着部で発生する歪を小さく抑えることも可能になる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３６】
図１、２および３はそれぞれ、本発明の第１の実施の形態によるレーザー装置１０の側面形状、正面形状および平面形状を示すものである。図示されるようにこのレーザー装置１０は、銅からなるヒートブロック（ステム）１１上に、一例として２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２，１２と、合成樹脂あるいはガラスからなるコリメーターレンズアレイ１４とが固定されてなる。
【００３７】
マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、一例としてＧａＮ系レーザーダイオードからなる発振波長が４０５ｎｍのもので、５個のキャビティを備えたもの、つまり５個の発光点１２ａを有するものとされている。そして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、それぞれの発光点１２ａの並び方向と同じ方向に並べて固定されている。本実施の形態において、上記５個の発光点１２ａは０．３５ｍｍのピッチで形成され、各々から出力３０ｍＷのレーザービーム１２Ｂが発せられる。
【００３８】
一方ヒートブロック１１は、上記２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を固定する水平なレーザー固定面１１ａと、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を固定した部分よりも前方側（レーザービーム１２Ｂの射出方向）に形成されたレンズ規定面１１ｂと、上記発光点１２ａから発散光状態で射出されるレーザービーム１２Ｂのケラレを回避する凹部１１ｃとを有している。
【００３９】
上記レーザー固定面１１ａは、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、熱拡散性を確保してその温度上昇を抑制するために、それぞれレーザー固定面１１ａにロウ材を用いて固定され、また両チップ１２、１２どうしもロウ材により固定される。
【００４０】
上記レンズ規定面１１ｂは、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の各発光点１２ａから所定距離離れて、該マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光軸Ｏに垂直に形成されている。またこのレンズ規定面１１ｂも、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４１】
またコリメーターレンズアレイ１４は、１０個のコリメーターレンズ１４ａが一列に一体的に固定されてなるものである。本実施の形態において１つのコリメーターレンズ１４ａは、軸対称レンズの光軸を含む一部を細長く切り取った形状とされ、その焦点距離ｆは０．９ｍｍ、有効高さは１．１ｍｍで、レーザービーム１２Ｂの断面形状に合わせて縦横比が例えば３：１とされている。これら１０個のコリメーターレンズ１４ａのうち左側５個のピッチ、右側５個のピッチは、それぞれマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチに合わせて０．３５ｍｍ（誤差は０．２μｍ以下）とされている。またこれら左側５個、右側５個のコリメーターレンズ１４ａの間には、２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の間の隙間に対応させて、０．０５ｍｍの隙間１４ｃが設けられている。
【００４２】
さらにコリメーターレンズアレイ１４は、１０個のコリメーターレンズ１４ａが並んだ部分から左右に張り出した部分を有し、この部分の後方端面は高平坦面に加工されて、ヒートブロック１１への取付端面１４ｂとされている。コリメーターレンズアレイ１４は、これら２箇所の取付端面１４ｂを前記レンズ規定面１１ｂに接着剤を用いて接着する等により、ヒートブロック１１に固定される。
【００４３】
その際、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の１０本の発光軸Ｏと、各コリメーターレンズ１４ａの光軸とが一致する状態にコリメーターレンズアレイ１４を位置合わせする必要がある。本実施の形態の場合は、コリメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂをレンズ規定面１１ｂに押しつけながら、このコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かして、上述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００４４】
ヒートブロック１１におけるコリメーターレンズアレイ１４の固定位置とレンズ規定面１１ｂとの位置関係は、上記のようしてコリメーターレンズアレイ１４がヒートブロック１１に固定されたとき、各コリメーターレンズ１４ａの焦点位置がマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の各発光点１２ａに来るように設定されている。そこで、コリメーターレンズアレイ１４がヒートブロック１１に固定されると、コリメーターレンズ１４ａの光軸方向位置は、自動的に適正な位置、つまり発散光であるレーザービーム１２Ｂを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００４５】
なおコリメーターレンズアレイ１４をヒートブロック１１に固定するためには、上記のようにコリメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂをヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂに固着する他、それらの面とは異なる面どうしを固着するようにしてもよい。例えば、ヒートブロック１１に図１において右方に張り出したマウント部を形成しておき、コリメーターレンズアレイ１４の光軸に平行な面、例えば図１中の下端面をそのマウント部の上面に固着してもよい。
【００４６】
ここで本実施の形態では、ヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂが前述の通りの高平坦面とされているので、このヒートブロック１１にコリメーターレンズアレイ１４を固定する際の該アレイ１４の動きを抑制して、正確に上記位置合わせを行うことが可能になる。
【００４７】
また、ヒートブロック１１のレーザー固定面１１ａも前述の通りの高平坦面とされているので、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２をヒートブロック１１に固定する際の該チップ１２の動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００４８】
以上説明した本実施の形態のレーザー装置１０は図１に示されている通り、複数のレーザービーム１２Ｂを１本に合波して、高強度のレーザービームを得るために使用されている。すなわち、このレーザー装置１０のヒートブロック１１はベース板２１上に固定され、該ベース板２１上にはさらに集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ２２と、ファイバーホルダ２３ａとが固定されている。そしてこのファイバーホルダ２３ａには、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ２３が固定されている。
【００４９】
上記の構成において、コリメーターレンズアレイ１４の各コリメーターレンズ１４ａによって平行光とされた１０本のレーザービーム１２Ｂは、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア（図示せず）の入射端面上で収束する。これらのレーザービーム１２Ｂはマルチモード光ファイバー３０のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。なおマルチモード光ファイバー３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００５０】
本実施の形態において、集光レンズ２０は幅が６ｍｍ、有効高さが１．８ｍｍ、焦点距離が１４ｍｍのトランケート型レンズである。またマルチモード光ファイバー３０はコア径が５０μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２のものである。１０本のレーザービーム１２Ｂは集光レンズ２０により集光されて、マルチモード光ファイバー３０のコア端面に集光スポット径約３０μｍで収束する。これらのレーザービーム１２Ｂのファイバー結合における損失、およびコリメーターレンズ１４ａ並びに集光レンズ２０を透過する際の損失の合計は１０％である。その場合、各レーザービーム１２Ｂの出力が前述のように３０ｍＷであるならば、２７０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５１】
なお、発光点を５個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を２つ用いる代わりに、発光点を１０個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを１つ用いてもよい。しかし、マルチキャビティレーザーダイオードチップは発光点が増えてチップ幅が大きくなるほど、作製に際して一般に「スマイル」と称される撓みが発生しやすい。この撓み発生を防止する上では、比較的発光点の少ないマルチキャビティレーザーダイオードチップを複数並べて使用するのが好ましい。
【００５２】
また、マルチキャビティレーザーダイオードチップの発光点数や、それを複数設置する場合の設置数は勿論上記の例に限定されるものではなく、例えば７個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを２つ設置して、１４本のレーザービームを発生させることも可能である。さらには、５個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを３つ設置して、１５本のレーザービームを発生させることも可能である。この後者の場合、上記実施の形態と同様に１本のレーザービームの出力が３０ｍＷで、損失１０％で１本に合波するものとすると、４０５ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られる。
【００５３】
なお、図１に示される合波モジュールの全体を密閉容器内に気密封止して配置することにより、長寿命化を達成することができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４および５はそれぞれ、本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置１０’の側面形状および正面形状を示すものである。なおこれらの図４および５において、図１〜３中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。またこの第２の実施の形態によるレーザー装置１０’の平面形状は、第１の実施の形態によるレーザー装置１０の平面形状（図３参照）と基本的に同じであるので、図示は省略する。
【００５５】
この第２の実施の形態によるレーザー装置１０’は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると基本的に、２つ並設されたマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２が上下に２段配置されている点が異なるものである。つまりここでは、前述したものと同様のヒートブロック１１の上に別のヒートブロック１１’が積み重ねて固定され、該ヒートブロック１１’に、ヒートブロック１１に対するのと同じにして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２およびコリメーターレンズアレイ１４が固定されている。なおヒートブロック１１’はヒートブロック１１と同様にレーザービーム１２Ｂのケラレを回避する凹部１１ｃを有する他、下段のヒートブロック１１に固定されるマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２との干渉を避けるための凹部１１ｄを有している。
【００５６】
本実施の形態でも、ヒートブロック１１および１１’の各レンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ１４を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２に対する前述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００５７】
本実施の形態において、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、コリメーターレンズアレイ１４、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０の仕様は、第１の実施の形態におけるのと同じである。したがってこの場合は、合計２０個の発光点からの各レーザービーム１２Ｂの出力が３０ｍＷであるならば、５４０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６および７はそれぞれ、本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置１０”の側面形状および正面形状を示すものである。なおこの第３の実施の形態によるレーザー装置１０”の平面形状は、前記第１の実施の形態によるレーザー装置１０の平面形状（図３参照）と基本的に同じであるので、図示は省略する。
【００５９】
この第３の実施の形態によるレーザー装置１０’は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると基本的に、２つ並設されたマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２が上下に３段配置されている点が異なるものである。つまりここでは、前述したものと同様のヒートブロック１１の上に別のヒートブロック１１’が２つ積み重ねて固定され、それらのヒートブロック１１’に各々、ヒートブロック１１に対するのと同じにして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２およびコリメーターレンズアレイ１４が固定されている。なお上記ヒートブロック１１’は、第２の実施の形態で用いられているものと同じである。
【００６０】
本実施の形態でも、ヒートブロック１１および２つのヒートブロック１１’の各レンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ１４を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２に対する前述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００６１】
本実施の形態において、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、コリメーターレンズアレイ１４、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０の仕様は、第１の実施の形態におけるのと同じである。したがってこの場合は、合計３０個の発光点からの各レーザービーム１２Ｂの出力が３０ｍＷであるならば、８１０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００６２】
以上、マルチキャビティレーザーダイオードチップを用いる実施の形態について説明したが、本発明においてはシングルキャビティレーザーダイオードを並設して用いることも可能である。図８は、そのように構成された本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置４０を示すものである。
【００６３】
この第４の実施の形態においては、ヒートブロック１１のレーザー固定面１１ａに、一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７が配列固定されている。そしてこのヒートブロック１１には、７つのコリメーターレンズ５０ａが一列に一体的に固定されてなるコリメーターレンズアレイ５０が固定されている。このコリメーターレンズアレイ５０は、前述したメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂと同様にレンズ配置部分から左右に張り出した取付端面５０ｂを有し、この取付端面５０ｂをレンズ規定面１１ｂに接着等によって固着することにより、ヒートブロック１１に固定される。
【００６４】
ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１〜７は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。これらのＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７から発散光状態で出射したレーザービームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７は、それぞれコリメーターレンズアレイ５０の各コリメーターレンズ５０ａによって平行光化される。
【００６５】
平行光とされたレーザービームＢ１〜７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア３０ａの入射端面上で収束する。本例ではコリメーターレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバー３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザービームＢ１〜７がこのマルチモード光ファイバー３０のコア３０ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。
【００６６】
本実施の形態でも、上述のようにしてヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ５０を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ５０をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１〜７に対する各コリメーターレンズ５０ａの位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００６７】
また本発明は、光ファイバーを用いて複数本のレーザービームを１本に合波する構成に限らず、平行光化した複数本のレーザービームを集光レンズによって集光し、それらの各レーザービームを例えば複数の変調部が１次元に配列されてなる空間変調素子の各変調部で収束させて、独自に変調するような構成に適用することも可能である。そのような空間変調素子としては、ライン状の液晶空間変調素子やＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）やＧＬＶ（グレーティング・ライトバルブ）等が用いられ得る。
【００６８】
また本発明に用いるコリメーターレンズアレイは、前述した図１や図８の集光レンズ２０と一体化して、集光作用も備えるように形成されてもよい。
【００６９】
さらに本発明は、平行光化した後の複数本のレーザービームを特に集光はしない構成においても同様に適用可能で、その場合にも前述した本発明の効果を得ることができる。
【００７０】
また本発明のレーザー装置において、レーザーダイオードとしては、ＧａＮ系レーザーダイオードに限らず、その他の種類のものを適用することも勿論可能である。
【００７１】
次に、本発明のレーザー装置におけるレーザーダイオードの好ましい実装構造について説明する。図９は、窒化物系化合物レーザーダイオードの一つであるＧａＮ系レーザーダイオードＬＤが、Ｃｕ放熱ブロック１０上に実装された状態を示す正面図である。なおここではシングルキャビティのＧａＮ系レーザーダイオードＬＤについて説明するが、この実装構造はマルチキャビティレーザーダイオードにも適用可能である。
【００７２】
まず図１０に示すように、ＡｌＮサブマウント９の下表面にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４が形成され、またその上表面にはＡｕ／Ｎｉメッキ層５０５および段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６が形成される。ここで、本発明でいうところのサブマウントの厚さは、上記各層５０４〜５０６は含まない厚さ、つまり図１０のｄ寸法である。
【００７３】
上記のように段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６は、例えば一様に厚く該メタライズ層５０６を形成した後、低くする部分をイオンミリングのようなドライプロセスあるいはエッチャントによるウェットプロセスによって除去する方法や、さらには、低くする方の層の高さ分だけメタライズした後、低くする部分をマスキングした上で再度メタライズする方法等を適用して形成することができる。
【００７４】
次いでＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分と低い部分に、それぞれパッド状の共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７を配置する。これらのパッド状共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７は例えば１５０×５００μｍの大きさに形成され、互いに例えば１０μｍの間隔を置いて配置される。そしてこれらの共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７の上に、一例として概略４００×６００×１００μｍのサイズのチップ状ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１を配置し、３３０℃に加熱して共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７を融解させることにより、該ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１をＡｌＮサブマウント９に接着固定する。
【００７５】
次いで、上表面にＡｕ／Ｎｉメッキ層５０８およびＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０９が形成されているＣｕ放熱ブロック１０の上に共晶点ＡｕＳｎ半田５１１を配置し、その上にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４を下にしてＡｌＮサブマウント９を配置し、３１０℃に加熱して共晶点ＡｕＳｎ半田５１１を融解させることにより、ＡｌＮサブマウント９をＣｕ放熱ブロック１０に接着固定する。以上により、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤがＡｌＮサブマウント９を介してＣｕ放熱ブロック１０に実装される。
【００７６】
なおＡｕＳｎ半田の融解点はＡｕとＳｎとの組成比に応じて変化する。そこで、ＡｌＮサブマウント９のＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６および５０４の膜厚を互いに独立に制御するとともに、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１の融解時の温度を制御することにより、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７が融解した後の状態、共晶点ＡｕＳｎ半田５１１が融解した後の状態における各Ａｕ組成比を共晶点組成より数％程度高い組成にすることで、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１の融解後の融解温度に差を持たせることができる。
【００７７】
このような融解温度差を生じさせることにより、ＡｌＮサブマウント９にＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを接着する時と、ＡｌＮサブマウント９をＣｕ放熱ブロック１０に接着する時とで同じ共晶点ＡｕＳｎ半田を用いても、互いに融解温度差を付けて（後者の接着時の方が低い）実装することが可能となる。そうであれば、発光点位置が経時的に変動しやすい低融点半田を用いなくて済むので、発光点位置変動を抑える上で有利となる。
【００７８】
また本例の実装構造においてＧａＮ系レーザーダイオードＬＤは、Ａｌ_２Ｏ_３からなる基板側が上に位置する向きに配置され、素子形成面側（ｐｎ接合側）がＣｕ放熱ブロック１０に固定されて、いわゆるジャンクションダウン構造で実装がなされる。
【００７９】
またこの構造において、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点は、図９において概略Ｑで示す位置にある。そして共晶点ＡｕＳｎ半田５０７、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６およびＡｕ／Ｎｉメッキ層５０５には、それらを分割する溝５１２が形成され、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤはその発光部の直下に上記溝５１２が位置するように接着される。つまり、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光部は直接サブマウント側に接着しないので、さらなる応力低減が実現される。また上記の溝５１２が形成されていれば、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光端面がＡｌＮサブマウント９の端面より内側に位置する場合でも、発光ビームがＡｌＮサブマウント９によってケラレることを防止できる。
【００８０】
なおＧａＮ系レーザーダイオードＬＤのｎ側電極を、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分に対面する位置に形成するとともに、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分と低い部分とを互いに絶縁された状態に形成して、それらの両部分にそれぞれｎ側電極、ｐ側電極を導通させるようにしてもよい。
【００８１】
本例では、コストが低く熱伝導性も高いＣｕから形成された放熱ブロック１０を用いているので、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤが発する熱を良好に放熱することができ、そしてレーザー装置を安価に作製可能となる。
【００８２】
また本例では、ＡｌＮサブマウント９に対してＧａＮ系レーザーダイオードＬＤがジャンクションダウン構造で固定されていることにより、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板側をＡｌＮサブマウント９に固定する場合と比べて該ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光部がサブマウント９に、ひいては放熱ブロック１０に対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【００８３】
またＡｕＳｎ共晶点半田５０７は経時位置変化特性に優れているので、それによりＧａＮ系レーザーダイオードＬＤとＡｌＮサブマウント９とが接着されれば、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点位置の経時的変動を効果的に防止できるものとなる。
【００８４】
図１１のａは、上記のように実装されたＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを−４０〜８０℃の条件下で経時試験にかけた際の、発光点位置の上下方向移動量を測定した結果を示すものである。なお同図の横軸は半田材質による発光点位置移動量の正規確率分布（％）を示し、縦軸が発光点位置の移動量を示している。また、ＡｕＳｎ共晶点半田５０７に代えて低融点半田を用いた場合の発光点位置の移動量を、同図中にｂで示してある。ここに示されている通り、本例のＧａＮ系レーザーダイオードＬＤでは、低融点半田を用いたものと比較して、発光点位置移動量が極めて少なく抑えられている。
【００８５】
次に図１２は、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実装した際に熱歪によってＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用する応力が、サブマウントの熱膨張係数に応じてどのように変化するかを、計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しては、ＡｌＮサブマウント９、Ｃｕ放熱ブロック１０、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４、５０６および５０９、Ａｕ／Ｎｉメッキ層５０５および５０８、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１に加えて、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数（ＡｌＮサブマウント９の熱膨張係数は除く）およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【００８６】
図１２に示される通り、サブマウントの熱膨張係数が３．５〜６．０×１０^−６／℃の範囲にある場合は上記応力が約３２ＭＰａ以下と、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントを熱膨張係数が３．５〜６．０×１０^−６／℃の範囲にある材料から形成することが望ましい。
【００８７】
また、サブマウントの熱膨張係数が４．０〜５．４×１０^−６／℃の範囲にあれば、上記応力は約２９．５ＭＰａ以下となるのでより好ましく、サブマウントの熱膨張係数が４．４〜４．８×１０^−６／℃の範囲にあれば、上記応力はほぼ２８ＭＰａとなるのでさらに好ましい。本例でサブマウントに用いているＡｌＮの熱膨張係数は４．５×１０^−６／℃であり、上記の最も好ましい範囲にある。
【００８８】
また図１３は、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実装した際に熱歪によってＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用する応力が、該ＡｌＮサブマウント９の厚さに応じてどのように変化するかを、同様に計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しても、ＡｌＮサブマウント９、Ｃｕ放熱ブロック１０、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４、５０６および５０９、Ａｕ／Ｎｉメッキ層５０５および５０８、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１に加えて、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【００８９】
図１３に示される通り、ＡｌＮサブマウント９の厚さが２００〜４００μｍの範囲にある場合は上記応力が約３４ＭＰａ以下と、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この値を超える応力がＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用すると、そこに応力発生しやすくなる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントの厚さを２００〜４００μｍの範囲に設定することが望ましい。また、ＡｌＮサブマウント９の厚さが２５０〜３５０μｍの範囲にあれば、上記応力は約３２ＭＰａ以下となるのでより好ましい。
【００９０】
なおＡｌＮサブマウント９は、Ｃｕ放熱ブロック１０から大きな圧縮応力を受ける。ＡｌＮサブマウント９はＧａＮ系レーザーダイオードＬＤからの圧縮応力も受けるが、それは一般にはＣｕ放熱ブロック１０から受ける圧縮応力よりも小さいものとなっている。
【００９１】
例えば図８に示したように、複数のレーザーダイオードからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上でマルチモード光ファイバーに結合させるような構成においては、発光点位置の経時的変動が有ると、それによって結合効率が低下してしまう。そこで、発光点位置の経時的変動を前述の通りにして抑制できれば、結合効率が低下することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図２】図１のレーザー装置の正面図
【図３】図１のレーザー装置の平面図
【図４】本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図５】図４のレーザー装置の正面図
【図６】本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図７】図６のレーザー装置の正面図
【図８】本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図９】本発明におけるレーザーダイオードの実装構造の例を示す正面図
【図１０】図９の構造の一部を示す斜視図
【図１１】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおける発光点移動量を、従来のレーザーダイオードにおける発光点移動量と比較して示すグラフ
【図１２】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおけるサブマウントの熱膨張係数と、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【図１３】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおけるサブマウントの熱膨張係数と、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【符号の説明】
９　　サブマウント
１０、１０’、１０”、４０　　レーザー装置
１１、１１’、１１”　　ヒートブロック
１１ａ　　ヒートブロックのレーザー固定面
１１ｂ　　ヒートブロックのレンズ規定面
１２　　マルチキャビティレーザーダイオードチップ
１２ａ　　発光点
１２Ｂ　　レーザービーム
１４、５０　　コリメーターレンズアレイ
１４ａ、５０ａ　　コリメーターレンズ
１４ｂ、５０ｂ　　コリメーターレンズアレイの取付端面
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバー
５０４、５０６、５０９　　Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層
５０５、５０８　　Ａｕ／Ｎｉメッキ層
５０７、５１１　　共晶点ＡｕＳｎ半田
Ｂ１〜７　　レーザービーム
ＬＤ、ＬＤ１〜７　　ＧａＮ系レーザーダイオード
Ｏ　　発光軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device, and more particularly to a laser device in which a plurality of laser diodes are arranged side by side and fixed to a block.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, wavelength conversion lasers, excimer lasers, and Ar lasers that convert infrared light emitted from semiconductor laser-excited solid-state lasers into third harmonics in the ultraviolet region have been put to practical use as devices that generate ultraviolet laser beams. It is provided.
[0003]
Furthermore, recently, for example, Jpn. Appl. phys. Lett. , Vol. 37. p. As shown in L1020, a GaN-based semiconductor laser (laser diode) that emits a laser beam having a wavelength near 400 nm is also provided.
[0004]
A light source that emits a laser beam having such a wavelength is used as an exposure light source in an exposure apparatus that exposes a photosensitive material having sensitivity in a predetermined wavelength region (hereinafter referred to as “ultraviolet region”) including an ultraviolet region of 350 to 420 nm. It is also considered to apply. In this case, the light source for exposure is naturally required to have a sufficient output for exposing the photosensitive material.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the excimer laser has a problem that the apparatus is large, and the cost and maintenance cost are high.
[0006]
In addition, a wavelength conversion laser that converts infrared light into the third harmonic in the ultraviolet region has extremely low wavelength conversion efficiency, so that it is extremely difficult to obtain a high output. At present, a solid laser medium is excited with a 30 W semiconductor laser to oscillate a 10 W fundamental wave (wavelength 1064 nm), which is converted into a 3 W second harmonic (wavelength 532 nm), and the sum frequency of both of them. The current practical level is to obtain a third harmonic of 1 W (wavelength 355 nm). In this case, the electro-optical efficiency of the semiconductor laser is about 50%, and the conversion efficiency to ultraviolet light is very low, about 1.7%. Such a wavelength conversion laser is considerably expensive because it uses an expensive optical wavelength conversion element.
[0007]
In addition, the Ar laser has a problem that the electro-optical efficiency is very low as 0.005% and the lifetime is as short as about 1000 hours.
[0008]
On the other hand, since a low dislocation GaN crystal substrate cannot be obtained for a GaN-based semiconductor laser, a low dislocation region of about 5 μm is created by a growth method called ELOG, and a laser region is formed thereon to increase the output. Attempts have been made to achieve high reliability. However, even in the GaN-based semiconductor laser manufactured in this way, it is difficult to obtain a substrate with a low dislocation over a large area, so that a high output of 500 mW to 1 W class has not yet been commercialized.
[0009]
As another attempt to increase the output power of a semiconductor laser, for example, it may be possible to obtain 10 W output by forming 100 cavities that output 100 mW light by one. It can be said that creating a large number of cavities at a high yield is almost unrealistic. This is especially true for GaN-based semiconductor lasers where it is difficult to achieve a high yield of 99% or more even in the case of a single cavity.
[0010]
In view of the above circumstances, the present applicant has previously proposed a laser apparatus capable of obtaining particularly high output in Japanese Patent Application Nos. 2000-2734949 and 273870.
[0011]
Japanese Patent Application No. 2000-2733849 discloses a laser device in which a plurality of laser diodes, one multimode optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of laser diodes are collected and coupled to the multimode optical fiber. And an optical optical system. In a preferred embodiment of the laser device, the plurality of laser diodes are arranged in a state where the respective light emitting points are arranged in one direction. On the other hand, the laser device of Japanese Patent Application No. 2000-273870 is formed by arranging a plurality of multi-cavity laser diode chips having a plurality of light emitting points.
[0012]
As described above, in a laser device in which a plurality of laser diodes are arranged in a state where each light emitting point is aligned in one direction, the plurality of laser diodes are usually fixed and held on a block such as a heat dissipation block made of Cu or Cu alloy. Is done.
[0013]
In addition, since laser beams are emitted from a plurality of laser diodes in a divergent light state, when the laser beams are focused on one point, the divergent light state laser beam is first passed through a collimator lens to be parallel. It needs to be lightened. In this case, the collimator lenses may be arranged separately from each other, or may be integrated into a state in which a plurality of collimator lenses are arranged in a line to form a collimator lens array. It is necessary to accurately align the laser diode on the light emission axis. If this alignment is not performed accurately, a plurality of laser beams cannot be focused on a small spot. For example, when a photosensitive material is exposed with the laser beams as described above, a fine exposure is required. There arises a problem that image exposure becomes impossible.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a laser apparatus in which a plurality of laser diodes are arranged in a state where each light emitting point is aligned in one direction, a collimator lens is provided, and an optical axis is provided for each laser diode. It is an object of the present invention to enable accurate alignment with a state located on the light emission axis.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The laser device according to the present invention, as described above,
Multiple laser diodes,
A block in which these laser diodes are fixedly held in a state where the respective light emitting points are aligned in one direction,
In a laser apparatus comprising a collimator lens array formed by integrating a plurality of collimator lenses that collimate the laser beams emitted from the laser diodes in a state aligned in one direction,
A smooth surface which is a predetermined distance away from the light emitting point of the laser diode and is perpendicular to the light emitting axis of the laser diode, on the front side (laser beam emission direction side) of the block where the plurality of laser diodes are fixed. A lens-defining surface is formed,
The collimator lens array is fixed to the block in a state where one end surface of the collimator lens array is aligned with the lens defining surface.
[0016]
The flatness of the lens defining surface of the block is preferably 0.5 μm or less. The flatness of the surface on which the laser diode of the block is fixed is desirably 0.5 μm or less.
[0017]
The plurality of laser diodes are preferably composed of a multi-cavity laser diode chip having a plurality of light emitting points. In that case, it is more desirable that a plurality of multi-cavity laser diode chips are fixed to the block.
[0018]
Alternatively, the present invention is not limited thereto, and the plurality of laser diodes may be a plurality of single cavity laser diode chips each having one light emitting point.
[0019]
The plurality of laser diodes as described above are arranged in a state in which the respective light emitting points are arranged in one direction, and the arrangement state is arranged in a state in which a plurality of the arranged states are arranged in a direction crossing the arrangement direction of the light emitting points. It is desirable that the two-dimensional array is arranged, and the collimator lens array is also arranged in a direction intersecting with the arrangement direction of the collimator lenses so as to correspond to the plurality of laser diodes.
[0020]
Furthermore, in the laser apparatus of the present invention, it is desirable that a plurality of laser diodes be fixed to the block with a junction down structure. The junction down structure is a structure in which not the substrate side but the element formation surface side (pn junction side) is fixed to a heat radiation mount having a high thermal conductivity.
[0021]
In the laser device of the present invention, a nitride compound laser diode in a chip state is used as the laser diode,
This laser diode is mounted on a heat dissipation block made of Cu or Cu alloy via a submount,
The submount has a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10. ^-6 Formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material that is / ° C.,
It is desirable that the laser diode is bonded to the submount in a junction down structure by dividing the AuSn eutectic point solder and the metallized layer into a plurality of parts within the bonding surface of both.
[0022]
In such a configuration, the submount is preferably made of AlN.
[0023]
The submount is preferably bonded to the heat dissipation block made of Cu or Cu alloy by AuSn eutectic point solder.
[0024]
【The invention's effect】
The laser apparatus of the present invention is a smooth lens prescription that is a predetermined distance away from the light emitting point of the laser diode and is perpendicular to the light emitting axis of the laser diode, in front of the portion where the plurality of laser diodes of the block are fixed. The collimator lens array is fixed to the block in a state in which a surface is formed and one end surface of the collimator lens array is aligned with the lens defining surface. By moving the collimator lens, the collimator lens can be moved in a plane perpendicular to the light emitting axis of the laser diode, and the lens optical axis can be accurately and easily aligned with the light emitting axis.
[0025]
After the alignment is completed, if the collimator lens array is fixed to the block while maintaining the above state, the end surface of the collimator lens array is always separated from the light emitting point of the laser diode by the predetermined distance. It will be fixed at. Therefore, if the predetermined distance is set such that the focal position of the collimator lens comes to the light emitting point of the laser diode, the position of the collimator lens in the optical axis direction is always an appropriate position, that is, a laser beam that is diverging light. Is set to a position where the light is accurately collimated.
[0026]
In order to fix the collimator lens array to the block, the one end surface of the collimator lens array and the lens defining surface of the block may be fixed together, or different from the one end surface of the array, for example, A surface parallel to the optical axis may be fixed to a fixed surface formed parallel to the light emitting axis of the laser diode in the block.
[0027]
Here, when the flatness of the lens defining surface of the block is 0.5 μm or less, the movement of the array when the collimator lens array is fixed to the block is suppressed and the alignment is accurately performed. It becomes possible.
[0028]
In addition, when the flatness of the surface where the laser diode of the block is fixed is 0.5 μm or less, the movement of the laser diode when the laser diode is fixed to the block with, for example, brazing material is suppressed. Can be fixed at an accurate position.
[0029]
When a plurality of multi-cavity laser diode chips each having a plurality of light emitting points and having a plurality of light emitting points are fixed to a block, a particularly high output can be obtained.
[0030]
Further, a plurality of laser diodes are arranged in a state in which the respective light emitting points are arranged in one direction, and are arranged in a state in which a plurality of the arranged states are arranged in a direction crossing the arrangement direction of the light emitting points, and are arranged two-dimensionally as a whole If a plurality of collimator lens arrays are arranged in the direction crossing the alignment direction of the collimator lenses, a larger number of laser diodes are arranged at a high density. In particular, it is possible to obtain a high-power combined beam.
[0031]
In the laser device of the present invention, a nitride compound laser diode in a chip state is used as a laser diode, and the laser diode is mounted on a heat dissipation block made of Cu or Cu alloy via a submount, and the submount is The coefficient of thermal expansion is 3.5 to 6.0 × 10 ^-6 The laser diode is formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material at / ° C., and the laser diode divides the AuSn eutectic point solder and the metallized layer into a plurality of parts within the bonding surface of both, When divided and bonded with a junction down structure, by using a heat dissipation block formed of Cu or Cu alloy with low cost and high thermal conductivity, the heat generated by the laser diode can be radiated well, And it can be manufactured at low cost. Also, in this case, the laser diode is fixed to the submount with a junction-down structure, so that the light emitting part is attached to the submount compared to the case where the substrate side of the laser diode is fixed to the submount, and thus the heat dissipation block. Because of this, the heat is dissipated well from this point.
[0032]
Also, since AuSn eutectic point solder has excellent temporal position change characteristics, if the laser diode and the submount are bonded to each other, the temporal variation of the light emitting point position of the laser diode can be effectively suppressed. Become.
[0033]
Further, in the above configuration, the submount has a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10 6. ^-6 By using a material having a temperature of / ° C. to a thickness of 200 to 400 μm, it is possible to prevent the laser diode from being deteriorated due to thermal strain during solder bonding. The reason will be described in detail along the embodiment of the present invention described later.
[0034]
Furthermore, if the AuSn eutectic point solder is divided into a plurality of parts within the bonding surface of both the submount and the laser diode, it is possible to suppress the distortion generated at the bonding portion.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0036]
1, 2 and 3 respectively show the side shape, front shape and planar shape of the laser device 10 according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, this laser apparatus 10 includes, for example, two multi-cavity laser diode chips 12 and 12 and a collimator lens array 14 made of synthetic resin or glass on a heat block (stem) 11 made of copper. Is fixed.
[0037]
As an example, the multi-cavity laser diode chip 12 is made of a GaN-based laser diode having an oscillation wavelength of 405 nm and having five cavities, that is, having five light emitting points 12a. The two multi-cavity laser diode chips 12 are arranged and fixed in the same direction as the arrangement direction of the respective light emitting points 12a. In the present embodiment, the five light emitting points 12a are formed at a pitch of 0.35 mm, and a laser beam 12B with an output of 30 mW is emitted from each.
[0038]
On the other hand, the heat block 11 has a horizontal laser fixing surface 11a for fixing the two multi-cavity laser diode chips 12 and a front side (an emission direction of the laser beam 12B) from a portion where the multi-cavity laser diode chips 12 are fixed. The lens defining surface 11b is formed, and a recess 11c that avoids vignetting of the laser beam 12B emitted from the light emitting point 12a in a divergent light state.
[0039]
The laser fixing surface 11a is processed into a highly flat surface having a flatness of 0.5 μm or less. The two multi-cavity laser diode chips 12 are each fixed to the laser fixing surface 11a with a brazing material in order to secure thermal diffusibility and suppress the temperature rise, and both the chips 12 and 12 are soldered. It is fixed by the material.
[0040]
The lens defining surface 11 b is formed at a predetermined distance from each light emitting point 12 a of the multicavity laser diode chip 12 and perpendicular to the light emitting axis O of the multicavity laser diode chip 12. The lens defining surface 11b is also processed into a highly flat surface having a flatness of 0.5 μm or less.
[0041]
The collimator lens array 14 is formed by integrally fixing ten collimator lenses 14a in a row. In the present embodiment, one collimator lens 14a has a shape obtained by cutting a part including the optical axis of an axisymmetric lens into an elongated shape, the focal length f is 0.9 mm, the effective height is 1.1 mm, and the laser The aspect ratio is set to 3: 1 according to the cross-sectional shape of the beam 12B, for example. Of these ten collimator lenses 14a, the left five pitches and the right five pitches are each 0.35 mm (with an error of 0.2 μm or less) in accordance with the light emitting point pitch of the multi-cavity laser diode chip 12. ing. Further, a gap 14c of 0.05 mm is provided between the five collimator lenses 14a on the left side and the five on the right side so as to correspond to the gap between the two multi-cavity laser diode chips 12.
[0042]
Further, the collimator lens array 14 has a portion that protrudes left and right from the portion where the ten collimator lenses 14a are arranged, and the rear end surface of this portion is processed into a highly flat surface, and is attached to the heat block 11. 14b. The collimator lens array 14 is fixed to the heat block 11 by, for example, adhering these two attachment end surfaces 14b to the lens defining surface 11b using an adhesive.
[0043]
At that time, it is necessary to align the collimator lens array 14 so that the ten light emission axes O of the multi-cavity laser diode chip 12 and the optical axes of the collimator lenses 14a coincide with each other. In the case of the present embodiment, the collimator lens array 14 is moved up, down, left and right within a plane perpendicular to the lens optical axis while pressing the attachment end surface 14b of the collimator lens array 14 against the lens defining surface 11b. Alignment can be performed accurately and easily.
[0044]
The positional relationship between the fixing position of the collimator lens array 14 and the lens defining surface 11b in the heat block 11 is such that when the collimator lens array 14 is fixed to the heat block 11 as described above, the focal point of each collimator lens 14a. The position is set so as to come to each light emitting point 12 a of the multicavity laser diode chip 12. Therefore, when the collimator lens array 14 is fixed to the heat block 11, the position of the collimator lens 14a in the optical axis direction automatically converts the laser beam 12B, which is a divergent light, into a parallel light accurately. Will be set to the position.
[0045]
In order to fix the collimator lens array 14 to the heat block 11, the mounting end surface 14b of the collimator lens array 14 is fixed to the lens defining surface 11b of the heat block 11 as described above, and is different from those surfaces. You may make it adhere surfaces. For example, a mount portion that protrudes rightward in FIG. 1 is formed on the heat block 11, and a surface parallel to the optical axis of the collimator lens array 14, for example, the lower end surface in FIG. 1 is fixed to the upper surface of the mount portion. May be.
[0046]
Here, in the present embodiment, since the lens defining surface 11b of the heat block 11 is the high flat surface as described above, the movement of the array 14 when the collimator lens array 14 is fixed to the heat block 11. This makes it possible to accurately perform the alignment.
[0047]
Further, since the laser fixing surface 11a of the heat block 11 is also a high flat surface as described above, the movement of the chip 12 when the multi-cavity laser diode chip 12 is fixed to the heat block 11 is suppressed. Can be fixed at an accurate position.
[0048]
The laser apparatus 10 of the present embodiment described above is used to obtain a high-intensity laser beam by combining a plurality of laser beams 12B into one as shown in FIG. That is, the heat block 11 of the laser apparatus 10 is fixed on the base plate 21, and a condensing lens holder 22 for holding the condensing lens 20 and a fiber holder 23 a are fixed on the base plate 21. . A fiber holder 23 that holds the incident end of the multimode optical fiber 30 is fixed to the fiber holder 23a.
[0049]
In the above configuration, the ten laser beams 12B converted into parallel light by the collimator lenses 14a of the collimator lens array 14 are condensed by the condenser lens 20, and the core of the multimode optical fiber 30 (not shown). It converges on the incident end face. These laser beams 12B enter the core of the multimode optical fiber 30 and propagate there, and are combined into a single laser beam and emitted from the multimode optical fiber 30. As the multimode optical fiber 30, a step index type, a graded index type, and a composite type thereof can all be applied.
[0050]
In the present embodiment, the condenser lens 20 is a truncated lens having a width of 6 mm, an effective height of 1.8 mm, and a focal length of 14 mm. The multimode optical fiber 30 has a core diameter of 50 μm and an NA (numerical aperture) of 0.2. The ten laser beams 12B are condensed by the condenser lens 20 and converge on the core end face of the multimode optical fiber 30 with a condensed spot diameter of about 30 μm. The sum of the loss in the fiber coupling of these laser beams 12B and the loss when passing through the collimator lens 14a and the condenser lens 20 is 10%. In this case, if the output of each laser beam 12B is 30 mW as described above, a combined laser beam with a high output of 270 mW and a high luminance can be obtained.
[0051]
Instead of using two multicavity laser diode chips 12 having five light emitting points, one multicavity laser diode chip having ten light emitting points may be used. However, as the light emitting point increases and the chip width increases, the multi-cavity laser diode chip is more likely to bend during manufacturing. In order to prevent the occurrence of this bending, it is preferable to use a plurality of multi-cavity laser diode chips with relatively few emission points.
[0052]
In addition, the number of light emitting points of the multi-cavity laser diode chip and the number of light emitting devices when a plurality of light emitting devices are installed are not limited to the above example. For example, two multi-cavity laser diode chips having seven light emitting points are provided. It is also possible to install and generate 14 laser beams. Furthermore, it is also possible to install three multi-cavity laser diode chips having five light emitting points to generate 15 laser beams. In the latter case, if the output of one laser beam is 30 mW and is combined into one with a loss of 10% as in the above embodiment, a combined laser beam with a high output of 405 mW and high brightness is obtained. can get.
[0053]
In addition, the lifetime improvement can be achieved by airtightly sealing and arrange | positioning the whole multiplexing module shown by FIG. 1 in an airtight container.
[0054]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 4 and 5 show a side shape and a front shape of a laser device 10 'according to the second embodiment of the present invention, respectively. 4 and 5, the same elements as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter). The planar shape of the laser device 10 ′ according to the second embodiment is basically the same as the planar shape (see FIG. 3) of the laser device 10 according to the first embodiment, and is not shown.
[0055]
The laser device 10 'according to the second embodiment basically has two multi-cavity laser diode chips 12 and 12 arranged vertically in two stages, as compared with the laser device 10 shown in FIGS. The points are different. That is, here, another heat block 11 ′ is stacked and fixed on the same heat block 11 as described above, and two multi-cavity lasers are attached to the heat block 11 ′ in the same manner as for the heat block 11. The diode chips 12 and 12 and the collimator lens array 14 are fixed. The heat block 11 ′ has a recess 11 c that avoids vignetting of the laser beam 12 B as in the heat block 11, and also prevents interference with the multi-cavity laser diode chips 12 and 12 fixed to the lower heat block 11. A recess 11d is provided.
[0056]
Also in the present embodiment, when the collimator lens array 14 is fixed to the lens defining surfaces 11b of the heat blocks 11 and 11 ′, the collimator lens array 14 is used as the lens optical axis while the position is defined by the lens defining surface 11b. By moving up, down, left and right within a vertical plane, the above-described alignment with respect to the multi-cavity laser diode chip 12 can be performed accurately and easily.
[0057]
In the present embodiment, the specifications of the multi-cavity laser diode chip 12, the collimator lens array 14, the condenser lens 20, and the multimode optical fiber 30 are the same as those in the first embodiment. Therefore, in this case, if the output of each laser beam 12B from a total of 20 light emitting points is 30 mW, a combined laser beam having a high output of 540 mW and a high luminance can be obtained.
[0058]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 6 and 7 show the side shape and the front shape of the laser device 10 "according to the third embodiment of the present invention. The plane shape of the laser device 10" according to the third embodiment is as follows. Since it is basically the same as the planar shape (see FIG. 3) of the laser device 10 according to the first embodiment, the illustration is omitted.
[0059]
The laser device 10 ′ according to the third embodiment basically has two multi-cavity laser diode chips 12, 12 arranged vertically in three stages, as compared with the laser device 10 shown in FIGS. The points are different. That is, here, two heat blocks 11 ′ are stacked and fixed on the same heat block 11 as described above, and two heat blocks 11 ′ are respectively fixed to the heat block 11 ′ in the same manner as the heat block 11. The multi-cavity laser diode chips 12 and 12 and the collimator lens array 14 are fixed. The heat block 11 ′ is the same as that used in the second embodiment.
[0060]
Also in the present embodiment, when the collimator lens array 14 is fixed to the lens defining surfaces 11b of the heat block 11 and the two heat blocks 11 ′, the collimator lens array 14 is positioned while defining the position on the lens defining surface 11b. The above-mentioned alignment with respect to the multi-cavity laser diode chip 12 can be performed accurately and easily by moving up, down, left and right within a plane perpendicular to the lens optical axis.
[0061]
In the present embodiment, the specifications of the multi-cavity laser diode chip 12, the collimator lens array 14, the condenser lens 20, and the multimode optical fiber 30 are the same as those in the first embodiment. Therefore, in this case, if the output of each laser beam 12B from 30 light emitting points in total is 30 mW, a combined laser beam with a high output of 810 mW and a high luminance can be obtained.
[0062]
The embodiment using the multi-cavity laser diode chip has been described above. However, in the present invention, single-cavity laser diodes can be used in parallel. FIG. 8 shows a laser apparatus 40 according to the fourth embodiment of the present invention configured as described above.
[0063]
In the fourth embodiment, on the laser fixing surface 11a of the heat block 11, as an example, seven chip-shaped lateral multimode GaN laser diodes LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, and LD7 are arranged. It is fixed. A collimator lens array 50 in which seven collimator lenses 50a are integrally fixed in a row is fixed to the heat block 11. The collimator lens array 50 has a mounting end surface 50b that protrudes left and right from the lens arrangement portion in the same manner as the mounting end surface 14b of the meter lens array 14 described above, and this mounting end surface 50b is fixed to the lens defining surface 11b by bonding or the like. By doing so, the heat block 11 is fixed.
[0064]
The GaN-based laser diodes LD1 to LD7 have a common oscillation wavelength of, for example, 405 nm, and a maximum output of 100 mW. Laser beams B1, B2, B3, B4, B5, B6, and B7 emitted in a divergent light state from these GaN-based laser diodes LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, and LD7 are respectively in the collimator lens array 50. Each collimator lens 50a makes it parallel light.
[0065]
The parallel laser beams B1 to B7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30a of the multimode optical fiber 30. In this example, the collimating lenses 11 to 17 and the condensing lens 20 constitute a condensing optical system, and the multimode optical fiber 30 constitutes a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condensing lens 20 are incident on the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate there, and are combined into one laser beam B to be multiplexed. The light is emitted from the mode optical fiber 30.
[0066]
Also in the present embodiment, when the collimator lens array 50 is fixed to the lens defining surface 11b of the heat block 11 as described above, the collimator lens array 50 is placed on the lens optical axis while defining the position on the lens defining surface 11b. The collimator lens 50a can be accurately and easily aligned with respect to the GaN laser diodes LD1 to LD7 by moving up, down, left, and right within a plane perpendicular to.
[0067]
The present invention is not limited to a configuration in which a plurality of laser beams are combined into one using an optical fiber, but a plurality of collimated laser beams are collected by a condenser lens, and each of these laser beams is For example, the present invention can be applied to a configuration in which a plurality of modulation units are converged by each modulation unit of a spatial modulation element formed in a one-dimensional array and modulated independently. As such a spatial modulation element, a linear liquid crystal spatial modulation element, DMD (digital mirror device), GLV (grating light valve), or the like can be used.
[0068]
The collimator lens array used in the present invention may be formed so as to be integrated with the condenser lens 20 shown in FIGS.
[0069]
Furthermore, the present invention can be similarly applied to a configuration in which a plurality of laser beams after collimation are not particularly focused, and in that case, the above-described effects of the present invention can be obtained.
[0070]
In the laser apparatus of the present invention, the laser diode is not limited to the GaN-based laser diode, and other types of lasers can of course be applied.
[0071]
Next, a preferable mounting structure of the laser diode in the laser apparatus of the present invention will be described. FIG. 9 is a front view showing a state in which a GaN-based laser diode LD, which is one of nitride-based compound laser diodes, is mounted on the Cu heat dissipation block 10. Although a single cavity GaN laser diode LD is described here, this mounting structure can also be applied to a multicavity laser diode.
[0072]
First, as shown in FIG. 10, an Au / Pt / Ti metallization layer 504 is formed on the lower surface of the AlN submount 9, and an Au / Ni plating layer 505 and an Au / Pt / Ti metallization having a step on the upper surface. Layer 506 is formed. Here, the thickness of the submount referred to in the present invention is a thickness that does not include each of the layers 504 to 506, that is, the dimension d in FIG.
[0073]
As described above, the Au / Pt / Ti metallized layer 506 having a level difference is formed, for example, after the metallized layer 506 is uniformly thickened, and then a portion to be lowered is removed by a dry process such as ion milling or a wet process using an etchant. It can be formed by applying a method, or a method of metallizing by the height of the lower layer and then metallizing again after masking the lowering portion.
[0074]
Next, pad-like eutectic point AuSn solders 507 and 507 are disposed on the high and low portions of the Au / Pt / Ti metallized layer 506, respectively. These pad-like eutectic point AuSn solders 507 and 507 are formed to have a size of 150 × 500 μm, for example, and are arranged at an interval of 10 μm, for example. Then, on these eutectic point AuSn solders 507 and 507, for example, a chip-like GaN-based laser diode LD1 having a size of approximately 400 × 600 × 100 μm is disposed, and heated to 330 ° C. to eutectic point AuSn solder 507, By melting 507, the GaN-based laser diode LD1 is adhered and fixed to the AlN submount 9.
[0075]
Next, the eutectic point AuSn solder 511 is disposed on the Cu heat dissipation block 10 on which the Au / Ni plating layer 508 and the Au / Pt / Ti metallization layer 509 are formed on the upper surface, and the Au / Pt / Ti is further formed thereon. The AlN submount 9 is disposed with the metallized layer 504 facing down, and the eutectic point AuSn solder 511 is melted by heating to 310 ° C., whereby the AlN submount 9 is bonded and fixed to the Cu heat dissipation block 10. As described above, the GaN-based laser diode LD is mounted on the Cu heat dissipation block 10 via the AlN submount 9.
[0076]
The melting point of AuSn solder changes according to the composition ratio of Au and Sn. Therefore, by controlling the film thicknesses of the Au / Pt / Ti metallized layers 506 and 504 of the AlN submount 9 independently of each other and controlling the temperature at the time of melting of the eutectic point AuSn solders 507 and 511, By setting each Au composition ratio in the state after the AuSn solder 507 is melted and in the state after the eutectic point AuSn solder 511 is melted to a composition higher by about several percent than the eutectic point composition, the eutectic point AuSn solder 507 and A difference can be made in the melting temperature after the melting of 511.
[0077]
By causing such a melting temperature difference, the same eutectic point AuSn solder is used when the GaN-based laser diode LD is bonded to the AlN submount 9 and when the AlN submount 9 is bonded to the Cu heat dissipation block 10. Even if it is used, it is possible to mount with a difference in melting temperature from each other (lower in the latter bonding). If this is the case, it is not necessary to use a low melting point solder whose light emission point position is likely to change over time, which is advantageous in suppressing fluctuations in the light emission point position.
[0078]
In the mounting structure of this example, the GaN-based laser diode LD is Al. ₂ O ₃ The substrate side made of is disposed in an upward direction, and the element formation surface side (pn junction side) is fixed to the Cu heat dissipation block 10 to be mounted in a so-called junction down structure.
[0079]
In this structure, the light emitting point of the GaN-based laser diode LD is at a position indicated by a general Q in FIG. The eutectic point AuSn solder 507, the Au / Pt / Ti metallized layer 506, and the Au / Ni plated layer 505 are provided with grooves 512 for dividing them, and the GaN-based laser diode LD has the grooves directly below the light emitting portion. Glued so that 512 is located. That is, since the light emitting portion of the GaN-based laser diode LD is not directly bonded to the submount side, further stress reduction is realized. If the groove 512 is formed, it is possible to prevent the light emission beam from being vignetted by the AlN submount 9 even when the light emission end face of the GaN-based laser diode LD is positioned inside the end face of the AlN submount 9.
[0080]
The n-side electrode of the GaN-based laser diode LD is formed at a position facing the high part of the Au / Pt / Ti metallized layer 506, and the high part and low part of the Au / Pt / Ti metallized layer 506 are insulated from each other. Alternatively, the n-side electrode and the p-side electrode may be electrically connected to both portions.
[0081]
In this example, since the heat dissipation block 10 made of Cu having low cost and high thermal conductivity is used, the heat generated by the GaN-based laser diode LD can be radiated well, and the laser device can be manufactured at low cost. It becomes possible.
[0082]
In this example, the GaN-based laser diode LD is fixed to the AlN submount 9 with a junction down structure, so that the substrate side of the GaN-based laser diode LD is fixed to the AlN submount 9. Since the light-emitting portion of the GaN-based laser diode LD is positioned closer to the submount 9 and consequently to the heat dissipation block 10, heat can be radiated well from this point.
[0083]
Further, since the AuSn eutectic point solder 507 has excellent temporal change characteristics, if the GaN-based laser diode LD and the AlN submount 9 are bonded to each other, the light-emitting position of the GaN-based laser diode LD varies with time. Can be effectively prevented.
[0084]
FIG. 11a shows the result of measuring the amount of vertical movement of the light emitting point position when the GaN-based laser diode LD mounted as described above is subjected to a aging test under the condition of −40 to 80 ° C. It is. In the figure, the horizontal axis represents the normal probability distribution (%) of the luminous point position movement amount by the solder material, and the vertical axis represents the luminous point position movement amount. In addition, the amount of movement of the light emitting point position when a low melting point solder is used instead of the AuSn eutectic point solder 507 is indicated by b in FIG. As shown here, in the GaN-based laser diode LD of this example, the amount of movement of the light emission point position is suppressed to be extremely small compared to that using a low melting point solder.
[0085]
Next, FIG. 12 shows how the stress acting on the light emitting point of the GaN-based laser diode LD due to thermal strain when the GaN-based laser diode LD is mounted changes according to the thermal expansion coefficient of the submount. The result calculated | required by the simulation by a computer is shown. In this simulation, in addition to the AlN submount 9, the Cu heat dissipation block 10, the Au / Pt / Ti metallized layers 504, 506 and 509, the Au / Ni plating layers 505 and 508, the eutectic point AuSn solder 507 and 511, The thickness, thermal expansion coefficient (excluding the thermal expansion coefficient of the AlN submount 9) and Young's modulus of all the substrate, lower cladding layer, light emitting layer, upper light emitting layer, and insulating film of the system laser diode LD are obtained and their numerical values are obtained. It was used.
[0086]
As shown in FIG. 12, the coefficient of thermal expansion of the submount is 3.5 to 6.0 × 10. ^-6 When the temperature is in the range of / ° C., the stress is about 32 MPa or less, which can be suppressed to a range that does not cause any particular problems when the GaN-based laser diode LD is actually used. In view of this point, in the present invention, the submount has a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10 6. ^-6 It is desirable to form from a material in the range of / ° C.
[0087]
The thermal expansion coefficient of the submount is 4.0 to 5.4 × 10 ^-6 If it is in the range of / ° C., the stress is more preferably about 29.5 MPa or less, and the thermal expansion coefficient of the submount is 4.4 to 4.8 × 10 6. ^-6 If it is in the range of / ° C., the stress is approximately 28 MPa, which is more preferable. The thermal expansion coefficient of AlN used for the submount in this example is 4.5 × 10 ^-6 / ° C., which is in the most preferred range described above.
[0088]
FIG. 13 shows how the stress acting on the light emitting point of the GaN-based laser diode LD due to thermal strain changes according to the thickness of the AlN submount 9 when the GaN-based laser diode LD is mounted. Similarly, the results obtained by computer simulation are shown. In this simulation, in addition to the AlN submount 9, the Cu heat dissipation block 10, the Au / Pt / Ti metallized layers 504, 506 and 509, the Au / Ni plating layers 505 and 508, the eutectic point AuSn solders 507 and 511, GaN The thickness, thermal expansion coefficient, and Young's modulus of all of the substrate, lower clad layer, light emitting layer, upper light emitting layer, and insulating film of the system laser diode LD were determined and used.
[0089]
As shown in FIG. 13, when the thickness of the AlN submount 9 is in the range of 200 to 400 μm, the stress is about 34 MPa or less, which is suppressed to a range that does not cause any particular problems when actually using the GaN-based laser diode LD. It is done. When stress exceeding this value acts on the light emitting point of the GaN-based laser diode LD, stress is likely to be generated there. In view of this point, in the present invention, it is desirable to set the thickness of the submount in the range of 200 to 400 μm. Further, if the thickness of the AlN submount 9 is in the range of 250 to 350 μm, the stress is more preferably about 32 MPa or less.
[0090]
The AlN submount 9 receives a large compressive stress from the Cu heat dissipation block 10. The AlN submount 9 also receives compressive stress from the GaN-based laser diode LD, which is generally smaller than the compressive stress received from the Cu heat dissipation block 10.
[0091]
For example, as shown in FIG. 8, in a configuration in which laser beams respectively emitted from a plurality of laser diodes are condensed and coupled to a multimode optical fiber, if there is a temporal variation in the emission point position, The coupling efficiency is reduced. Therefore, if the temporal variation of the light emitting point position can be suppressed as described above, it is possible to prevent the coupling efficiency from decreasing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a laser apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the laser apparatus of FIG.
FIG. 3 is a plan view of the laser device of FIG.
FIG. 4 is a side view of a laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a front view of the laser device of FIG.
FIG. 6 is a side view of a laser device according to a third embodiment of the present invention.
7 is a front view of the laser device of FIG.
FIG. 8 is a plan view of a laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a front view showing an example of a laser diode mounting structure according to the present invention.
10 is a perspective view showing a part of the structure of FIG. 9;
FIG. 11 is a graph showing a light emission point shift amount in a laser diode to which the mounting structure is applied in comparison with a light emission point shift amount in a conventional laser diode.
FIG. 12 is a graph showing a relationship between a thermal expansion coefficient of a submount and a stress acting on a light emitting point in a laser diode to which the mounting structure is applied.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the thermal expansion coefficient of the submount and the stress acting on the light emitting point in the laser diode to which the mounting structure is applied.
[Explanation of symbols]
9 Submount
10, 10 ', 10 ", 40 laser equipment
11, 11 ', 11 "heat block
11a Laser fixing surface of heat block
11b Lens surface of heat block
12 Multicavity laser diode chip
12a luminous point
12B laser beam
14, 50 Collimator lens array
14a, 50a Collimator lens
14b, 50b Collimator lens array mounting end face
20 Condensing lens
30 Multimode optical fiber
504, 506, 509 Au / Pt / Ti metallized layer
505, 508 Au / Ni plating layer
507,511 Eutectic point AuSn solder
B1-7 Laser beam
LD, LD1-7 GaN laser diode
O Light emission axis

Claims

Multiple laser diodes,
A block in which these laser diodes are fixedly held in a state where the respective light emitting points are aligned in one direction,
In a laser apparatus comprising a collimator lens array formed by integrating a plurality of collimator lenses that collimate laser beams emitted from the laser diodes in a line in one direction,
A smooth lens defining surface is formed on the front side of the portion of the block where the plurality of laser diodes are fixed, at a predetermined distance from the light emitting point of the laser diode and perpendicular to the light emitting axis of the laser diode,
The laser device, wherein the collimator lens array is fixed to the block in a state where one end surface of the collimator lens array is aligned with the lens defining surface.

The laser device according to claim 1, wherein the flatness of the lens defining surface is 0.5 μm or less.

3. The laser device according to claim 1, wherein the flatness of a surface on which the laser diode of the block is fixed is 0.5 μm or less.

4. The laser apparatus according to claim 1, wherein the plurality of laser diodes are multi-cavity laser diode chips having a plurality of light emitting points.

The laser device according to claim 4, wherein a plurality of the multi-cavity laser diode chips are fixed to the block.

4. The laser apparatus according to claim 1, wherein the plurality of laser diodes are a plurality of single cavity laser diode chips each having one light emitting point.

The plurality of laser diodes are arranged in a state in which the respective light emitting points are arranged in one direction, and the arrangement state is arranged in a state in which a plurality of the arranged states are arranged in a direction intersecting with the arrangement direction of the light emitting points,
7. The collimator lens array according to claim 1, wherein a plurality of the collimator lens arrays are arranged side by side in a direction intersecting with an arrangement direction of the collimator lenses so as to correspond to the plurality of laser diodes. Laser device.

As the laser diode, a nitride compound laser diode in a chip state is used,
This laser diode is mounted on a heat dissipation block made of Cu or Cu alloy via a submount,
The submount is formed to a thickness of 200 to 400 μm using a material having a thermal expansion coefficient of 3.5 to 6.0 × 10 ⁻⁶ / ° C .;
2. The laser diode according to claim 1, wherein the laser diode is divided and bonded in a junction down structure by dividing the AuSn eutectic point solder and the metallized layer into a plurality of parts within the bonding surface of the submount. 7. The laser device according to any one of claims 7.

9. The laser device according to claim 8, wherein a groove for dividing the AuSn eutectic point solder and the metallized layer is provided immediately below the light emitting portion of the laser diode.

10. The laser apparatus according to claim 8, wherein the submount is made of AlN.

11. The laser device according to claim 8, wherein the submount is bonded to the Cu or Cu alloy heat dissipation block by AuSn eutectic point solder.