JP2004055634A

JP2004055634A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004055634A
Application number: JP2002207771A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Momiuchi; 籾内　正幸; Yoshiaki Goto; 後藤　義明
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】複数の半導体レーザ素子からの集光を容易にし、而も半導体レーザ装置の小型化を図る。
【解決手段】少なくとも２つの半導体レーザ素子２を積重ねてヒートシンク３に取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズ１３を設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズ１４を設けた。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置、特に半導体レーザ素子のマウント構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体レーザ装置に使用される発光素子としての半導体レーザ素子（半導体レーザダイオード（ＬＤ））は、低電力で高出力のレーザ光線を発するものとして普及しており、又近年益々高出力のレーザ光線が要求されている。又、半導体レーザ素子自体は微小なものであり、高出力のレーザ光線を射出することから発熱量も大きい。半導体レーザ素子は温度が高くなると出力が低下し、寿命も短くなる為、冷却を必要とする。
【０００３】
図９に於いて、従来の半導体レーザ装置１について説明する。
【０００４】
半導体レーザ素子２は通常、放熱板（以下ヒートシンク）３にハンダ、ペースト等により固着される。前記半導体レーザ素子２は上下両面が電極となっており、前記ヒートシンク３は前記半導体レーザ素子２の放熱器として機能すると共に電極として使用され、他方の電極としては前記半導体レーザ素子２の上面にワイヤ（図示せず）がボンディングされる。
【０００５】
前記ヒートシンク３、ワイヤを介して前記半導体レーザ素子２に電力が供給され、該半導体レーザ素子２が発光される。該半導体レーザ素子２の発光と共に該半導体レーザ素子２は発熱し、発熱は前記ヒートシンク３を介して放熱される。
【０００６】
上記した様に、近年益々高出力のレーザ光線が要求されており、１つの半導体レーザ素子２では出力に限界がある為、出力の増大に対して前記半導体レーザ素子２を複数用いることで高出力化の要求に対応している。
【０００７】
図１０は複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置４の概略を示している。
【０００８】
図１０中では３個の半導体レーザ素子２が横に並べられてヒートシンク３に固着された半導体レーザ装置４を示している。
【０００９】
該半導体レーザ装置４では前記ヒートシンク３が共通の電極となり、個々の半導体レーザ素子２にはそれぞれ電極としてのワイヤ（図示せず）がボンディングされている。複数の前記半導体レーザ素子２に前記ヒートシンク３、ワイヤを介して個々に電力が供給され、前記個々の半導体レーザ素子２からレーザ光線が発せられる。輝度の高い高出力のレーザ光線とするには、前記個々の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をまとめる必要があり、従来では複数のレーザ光線をまとめる為の光学系が設けられている。斯かる光学系の一例としては、前記各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をそれぞれ光ファイバにより導き、更に光ファイバを束ねる等し、一本のレーザ光線として出力するものがあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置では、複数の半導体レーザ素子２が横に並べられて設けられる為高出力化に対応して半導体レーザ素子２の数が増えると半導体レーザ素子２の両端間の幅が大きくなり、又各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線を集光させる手段として光ファイバでまとめた場合、光ファイバの取回しの為の占有空間が大きくなり、又束ねた光ファイバの径が大きくなる。この為、複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置では設置上の制約が大きくなると共に束ねた光ファイバの径が大きくなるとレーザ光線も光束断面も大きくなるという不具合があった。
【００１１】
更に、上記した様に、従来の半導体レーザ装置では複数の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線を細く束ねる為に複雑な光学系が必要であり、又複雑な光学系と前記半導体レーザ素子２が平面的に配設されることで、半導体レーザ装置の小型化が難しいという問題があり、又光学系に光ファイバを用いた場合、レーザ光線が光ファイバを通過する際に本来レーザ光線が持っている偏向方向が崩れてしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は斯かる実情に鑑み、複数の半導体レーザ素子からの集光を容易にし、而も半導体レーザ装置の小型化が図れる半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けた半導体レーザ装置に係り、又少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けて構成した２組の発光ユニットを光軸が直交する様に配設すると共に各発光ユニットから発せられるレーザ光線の偏光方向が９０°異なる様に配設し、前記２組の発光ユニットの光軸が直交する位置に偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタにより各発光ユニットからのレーザ光線を重合させ射出する様構成した半導体レーザ装置に係り、又射出されるレーザ光線は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射される半導体レーザ装置に係り、又半導体レーザ素子にヒートシンクが挾設され、該ヒートシンクは電気的絶縁材であり高熱伝導材質を介して前記ヒートシンクに取付けられた半導体レーザ装置に係り、更に又少なくとも、半導体レーザ素子、ロッドレンズ、円柱レンズが真空パッケージに収納された半導体レーザ装置に係るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
先ず、図１、図２により本発明で適用される半導体レーザ素子２の配置について説明する。本発明では複数の半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃをヒートシンク３に積重ねた構造とする。図２では３段に積重ねた状態を示している。
【００１６】
半導体レーザダイオード（ＬＤ）は発光エミッタが扁平であることから、射出されるレーザ光線の光束断面は楕円形状となり、又楕円形状は縦方向が短径で、横方向が長径となり、広がり角については縦方向が大きく、横方向が小さい。
【００１７】
前記複数の半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃは電気的には直列接続になり、前記ヒートシンク３が一方の電極となり、他方の電極は前記半導体レーザ素子２ｃの上面にボンディングされたワイヤ（図示せず）となる。
【００１８】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの冷却は前記ヒートシンク３を介して行われる。該ヒートシンク３には電子冷凍素子（ＴＥＣ）（図示せず）が取付けられている。
【００１９】
尚、前記半導体レーザ素子２ｃの上面にも他の電極としてヒートシンク（図示せず）を取付け、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃを上下のヒートシンクにより冷却する様にしてもよい。
【００２０】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃが積重ねられることで、該半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃから射出されるレーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃの発光位置が近接し、該レーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃは殆ど重なり合った状態となる。
【００２１】
図３に示す様に、前記半導体レーザ素子２ａと２ｂとの間、半導体レーザ素子２ｂと２ｃとの間に電導性を有するヒートシンク６、ヒートシンク７を挾設し、該ヒートシンク６、ヒートシンク７は電気的絶縁性を有すると共に高熱伝導性を有する材質を介して前記ヒートシンク３に取付けてもよい。尚、電気的絶縁性を有すると共に高熱伝導性を有する材質としては、ダイアモンド薄膜、ＳｉＣ、ＡｌＮ、セラミックス、エポキシ樹脂等が挙げられる。又、前記半導体レーザ素子２ｃの上面に同様にヒートシンクを設け、該ヒートシンクを電気的絶縁性を有すると共に高熱伝導性を有する材質を介して前記ヒートシンク３に取付けてもよい。
【００２２】
図３に示す、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの配置構造にすると、１つのヒートシンクにより積重ねた半導体レーザ素子２を均一に冷却することが可能となる。
【００２３】
図４、図５により本発明の第１の実施の形態について説明する。
【００２４】
ヒートシンク３に半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃを前記ヒートシンク３の端面と半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの端面が一致する様に固着する。前記ヒートシンク３には図示しない電子冷凍素子（ＴＥＣ）が取付けられている。
【００２５】
前記ヒートシンク３に該ヒートシンク３に比べ薄肉のレンズ支持片１１を段差が形成される様に延設し、前記ヒートシンク３とレンズ支持片１１に掛渡るロッドレンズ支持部１２，１２を設け、該ロッドレンズ支持部１２，１２は前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの光軸に対して対称に配設される。
【００２６】
前記ロッドレンズ支持部１２，１２に掛渡り、３本のロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを設ける。該ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれ前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃに対峙する様に、又前記ヒートシンク３と干渉しない様に前記レンズ支持片１１側に配置され、前記ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの光軸はそれぞれ前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃと直交する。前記ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃは例えば光ファイバが所要の長さに切断されたもの（ファイバレンズ）が使用される。尚、該ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの光軸は前記レーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃの光束断面の楕円形状の長径方向に一致している。
【００２７】
円柱レンズ１４が前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの光軸上に配置され、前記レンズ支持片１１に立設される。前記円柱レンズ１４の円筒曲面の曲率中心線は前記ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの光軸とは直交する方向となっている。
【００２８】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃから発せられたレーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃは前記ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより光束断面の短軸方向で平行光束とされ、前記円柱レンズ１４により光束断面の長軸方向で平行光束とされる。
【００２９】
而して、前記円柱レンズ１４を透過したレーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃは光束断面が楕円形状をした平行光束となる。又、該レーザ光線５ａ，５ｂ，５ｃの光軸は近接しているので、光ファイバを用いて束ねる必要はない。尚、更に、細径光束断面を有するレーザ光線として利用する場合は、集光レンズで１本の光ファイバ端面に集光させ、該光ファイバで所要の位置に導けばよい。
【００３０】
尚、更に高輝度のレーザ光線を得る場合は、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃのユニットを横方向に並設すればよい。
【００３１】
図６は第２の実施の形態を示すものである。
【００３２】
該第２の実施の形態では、上記実施の形態で示した半導体レーザ装置４を発光ユニット１６，１７として２組用い、レーザ光線の光束断面を大きくすることなく、高輝度で、輝度分布が均一なレーザ光線が得られる様にしたものである。
【００３３】
図６中、図４、図５中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略してある。又、前記発光ユニット１６、発光ユニット１７から発せられるレーザ光線を区別する為、前記発光ユニット１６からのレーザ光線については１６ａ，１６ｂ，１６ｃの符号を付し、前記発光ユニット１７からのレーザ光線については１７ａ，１７ｂ，１７ｃの符号を付している。
【００３４】
前記発光ユニット１６の光軸と前記発光ユニット１７の光軸が直交する様に、且つレーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃの光束断面の長径とレーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃの光束断面の長径とが直交する様に前記発光ユニット１６に対して前記発光ユニット１７を配設する。
【００３５】
前記発光ユニット１６の光軸と前記発光ユニット１７の光軸が直交する位置に、偏光ビームスプリッタ１８を配設する。該偏光ビームスプリッタ１８は前記発光ユニット１６の光軸と前記発光ユニット１７の光軸に対して４５°傾斜する偏光面１９を有する。
【００３６】
前記レーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃと前記レーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃとは光束断面の長径が直交する様に発せられているので、前記レーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃと前記レーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃとは偏光方向が９０°異なっている。又、前記偏光面１９は前記レーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃを反射し、前記レーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃを透過する様になっている。
【００３７】
而して、前記レーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃは前記偏光面１９により反射されると共に該偏光面１９を透過する前記レーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃに長軸が直交する様に重合される。
【００３８】
而して、前記偏光ビームスプリッタ１８を経て射出されるレーザ光線２１の光束断面は図７に示す様に、略矩形形状でレーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃとレーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃとが碁盤目状に交差したものとなる。更に、前記レーザ光線２１は前記レーザ光線１６ａ，１６ｂ，１６ｃとレーザ光線１７ａ，１７ｂ，１７ｃとが重合することで、高輝度となり、更に輝度分布が均一化する。
【００３９】
図８は上記第２の実施の形態の応用例を示している。
【００４０】
該応用例では、集光レンズ２２を前記偏光ビームスプリッタ１８のレーザ光線射出側に配設し、該偏光ビームスプリッタ１８を経て射出されるレーザ光線２１を前記集光レンズ２２で集光し、光ファイバ２３に入射させたものである。
【００４１】
従って、該光ファイバ２３により所要の位置で照射される様に導くことができ、又導かれるレーザ光線は前記レーザ光線２１より更にビーム径の小さい、更に高輝度、高密度エネルギーのレーザ光線として使用することができる。
【００４２】
尚、前記発光ユニット１６、発光ユニット１７はヒートシンク３、レンズ支持片１１に簡潔にまとめられるので、前記発光ユニット１６、発光ユニット１７は個々に、或はまとめて真空パッケージに収納することができ、真空パッケージした場合は、対流による熱の伝導が防止され、塵、埃から前記半導体レーザ素子２の発光面が保護でき、又前記半導体レーザ装置４を冷却した場合に水分の結露が防止できる。尚、前記発光ユニット１６，１７の全体でなく、少なくとも前記ロッドレンズ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、円柱レンズ１４が真空パッケージに収納されればよい。
【００４３】
又、前記半導体レーザ素子２は同一波長を発するものを使用してもよく、或は異なる波長のもの、例えば赤、緑、青のレーザ光線を発する半導体レーザ素子を使用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けたので、複数の発光点が近接し、簡潔な光学系で集光させるので構成が簡単になり、小型化ができる。
【００４５】
又、少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けて構成した２組の発光ユニットを光軸が直交する様に配設すると共に各発光ユニットから発せられるレーザ光線の偏光方向が９０°異なる様に配設し、前記２組の発光ユニットの光軸が直交する位置に偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタにより各発光ユニットからのレーザ光線を重合させ射出する様構成したので、高輝度のレーザ光線が得られると共に輝度分布の均一化したレーザ光線が得られる。
【００４６】
又、射出されるレーザ光線は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射されるので、所望の位置にレーザ光線が導け、又更に高輝度で光束断面の小さいレーザ光線が得られる。
【００４７】
又、半導体レーザ素子にヒートシンクが挾設され、該ヒートシンクは電気的絶縁材であり高熱伝導材質を介して前記ヒートシンクに取付けられたので、積重ねられた半導体レーザ素子を効果的に冷却することができる。
【００４８】
更に又、少なくとも、半導体レーザ素子、ロッドレンズ、円柱レンズが真空パッケージに収納されたので、半導体レーザ素子の発光面が保護でき発光面の汚染による出力の低下が防止でき、冷却した場合に水分の結露が防止できる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で適用される半導体レーザ素子の配置を示す平面図である。
【図２】本発明で適用される半導体レーザ素子の配置を示す側面図である。
【図３】本発明で適用される半導体レーザ素子の配置の変更を示す側面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示す側面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す側面図である。
【図７】該実施の形態で射出される光束断面を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の応用例を示す側面図である。
【図９】従来例の概略斜視図である。
【図１０】他の従来例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１　　　　　半導体レーザ装置
２　　　　　半導体レーザ素子
３　　　　　ヒートシンク
４　　　　　半導体レーザ装置
５　　　　　レーザ光線
６　　　　　ヒートシンク
７　　　　　ヒートシンク
１３　　　　ロッドレンズ
１４　　　　円柱レンズ
１６　　　　発光ユニット
１７　　　　発光ユニット
１８　　　　偏光ビームスプリッタ
２１　　　　レーザ光線
２２　　　　集光レンズ
２３　　　　光ファイバ

Claims

少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
少なくとも２つの半導体レーザ素子を積重ねてヒートシンクに取付け、前記半導体レーザ素子の個々に対峙させてロッドレンズを設け、該ロッドレンズに対向させて該ロッドレンズと直交する様円柱レンズを設けて構成した２組の発光ユニットを光軸が直交する様に配設すると共に各発光ユニットから発せられるレーザ光線の偏光方向が９０°異なる様に配設し、前記２組の発光ユニットの光軸が直交する位置に偏光ビームスプリッタを設け、該偏光ビームスプリッタにより各発光ユニットからのレーザ光線を重合させ射出する様構成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
射出されるレーザ光線は集光レンズにより集光されて光ファイバに入射される請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
半導体レーザ素子にヒートシンクが挾設され、該ヒートシンクは電気的絶縁材であり高熱伝導材質を介して前記ヒートシンクに取付けられた請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
少なくとも、半導体レーザ素子、ロッドレンズ、円柱レンズが真空パッケージに収納された請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。