JP2004087774A

JP2004087774A - 半導体レーザへのレンズ組み付け方法

Info

Publication number: JP2004087774A
Application number: JP2002246487A
Authority: JP
Inventors: Koji Fukui; 福井　厚司; Katsuhiro Kuriyama; 栗山　勝裕; Hiroyuki Sakatani; 坂谷　博之
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】半導体レーザにレンズを、半導体レーザとレンズの隙間に接着剤が浸透して発光面に付着することなくかつ位置精度良く組み付ける。
【解決手段】半導体レーザ１にコリメータレンズ５を紫外線硬化型接着剤７ａ、７ｂにて組み付ける際に、半導体レーザ１とコリメータレンズ５を位置決めして配置した状態でコリメータレンズ５の複数の取付部６ａ、６ｂと半導体レーザ１の間に接着剤７ａ、７ｂを塗布し、その後塗布した接着剤７ａ、７ｂの仮硬化を行い、次にコリメータレンズ５の位置調整後に複数の接着剤塗布部に同時に紫外線を照射して接着剤７ａ、７ｂを硬化させるようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザへのレンズ組み付け方法に関し、特に高出力半導体レーザに好適に適用できるレンズ組み付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工機の光源としては、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザなどが用いられているが、装置が大きい、あるいはレーザ出力の細かな制御が行い難いなどの課題があった。
【０００３】
近年、高出力の半導体レーザが実用化され、この高出力半導体レーザを光源として用いることでレーザ加工機の小型化が進んでいる。高出力半導体レーザでは、高出力化のために発光部がライン状に並んだ半導体レーザアレイを構成し、さらに出力が必要なときにはこの半導体レーザアレイを複数段積み重ねて用いられている。
【０００４】
半導体レーザはレーザ射出光の広がり角が大きいため、射出光を平行光化させるレンズは、ＮＡが大きく、焦点距離の小さなものが用いられる。半導体レーザのレーザ出射光の広がり角は、活性層に垂直な方向に大きいので、レーザ光を有効利用するためには、例えばＮＡ＝０．８程度のシリンドリカルレンズ（以下、第１レンズと称する）が必要になる。また、積層する半導体レーザアレイ間の間隔を２ｍｍとすると、レンズの焦点距離は、ｆ＝０．８ｍｍ程度となる。
【０００５】
ＮＡが大きく、焦点距離の短いレンズでは、レンズの位置、傾きのずれが射出光の方向、平行度に大きく影響し、レーザ光の集光特性が悪化する。このため、半導体レーザとレンズの位置を機械的に決めることは難しく、レンズの位置、傾き調整が必要になる。
【０００６】
このようにレンズの位置、傾きを調整した後、半導体レーザへのレンズの取り付けに際しては、取扱いの容易さから一般的に紫外線硬化接着剤が用いられ、レンズ両端の取付部と半導体レーザの筐体とを接着している。
【０００７】
次に、半導体レーザの活性層に平行な方向にレーザ光を平行光化するために、各発光点に対応したシリンドリカルレンズ（以下、第２レンズと称する）を第１レンズと同様に、半導体レーザを発光させ、レンズの位置調整を行い、レンズの両端の取付部を半導体レーザの筐体に接着している。
【０００８】
半導体レーザに第１レンズと第２レンズを組み付ける具体的な手順を図７を参照して説明すると、第１レンズのアライメントを行った後、一方（左側）の取付部に接着剤を塗布した後硬化させ、次に他方（右側）の取付部に接着剤を塗布した後硬化させ、次いで第２レンズのアライメントを行った後、一方（左側）の取付部に接着剤を塗布した後硬化させ、次に他方（右側）の取付部に接着剤を塗布した後硬化させるという手順で組み付けている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１レンズの焦点距離が０．８ｍｍ程度と小さいので、レンズと半導体レーザの発光面との隙間は０．３ｍｍ程度以下となり、接着剤を塗布したときに毛細管現象により隙間に浸透し易くなる。発光面に異物が付着すると、そこで光が散乱し、高出力レーザでは数百度の温度となる。通常、半導体レーザの耐熱温度は１５０℃程度であるので、半導体レーザが破壊されてしまう。
【００１０】
これに対して接着剤が半導体レーザとレンズの隙間に浸透する前に紫外線を照射し、硬化してしまう方法もあるが、接着剤塗布時のレンズの移動、例えば接着剤をディスペンサで塗布するときに、ディスペンサの先端がレンズに接触し、レンズ位置が変化したときに、レンズ位置、傾きの再調整を行うことができないという問題がある。
【００１１】
また、第２レンズにおいても、レーザを点灯させてレンズの位置調整、接着を行うので、第１レンズへの接触による破損や、第１レンズと同様に接着剤の付着が起こり易いという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、半導体レーザにレンズを位置精度良くかつ接着剤が半導体レーザとレンズの隙間に浸透して発光面に付着することなく組み付けることができる半導体レーザへのレンズ組み付け方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザへのレンズ組み付け方法は、半導体レーザにコリメータレンズを紫外線硬化型接着剤にて組み付ける方法であって、半導体レーザとコリメータレンズを位置決めして配置した状態でコリメータレンズの複数の取付部と半導体レーザの間に接着剤を塗布し、その後塗布した接着剤の仮硬化を行い、次にコリメータレンズの位置調整後に複数の接着剤塗布部に同時に紫外線を照射して接着剤を硬化させるものである。
【００１４】
このような構成により、接着剤の塗布後に仮硬化することにより、半導体レーザとコリメータレンズの隙間に接着剤が浸透して発光面に付着するのを防止しながらコリメータレンズの位置調整が可能な状態とし、コリメータレンズの位置調整後接着剤を同時に硬化させることで接着剤が発光面に付着することなくかつ接着剤の硬化収縮の影響を殆ど受けずに半導体レーザにレンズを位置精度良く組み付けることができる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザへのレンズ組み付け方法は、半導体レーザからの出射光を平行光化するレンズを半導体レーザに組み付ける方法であって、半導体レーザの活性層に垂直な方向にレーザ光を平行光化する第１レンズと、活性層に平行な方向にレーザ光を平行光化する第２レンズとを、半導体レーザのレーザ発光部と同ピッチの発光点を有する光源を用いてレンズ間の位置調整を行い、相互に接着固定して組レンズに結合し、組レンズを半導体レーザに組み付けるものである。
【００１６】
このような構成により、半導体レーザへのレンズの位置調整、接着を１回で済ますことができ、また第２レンズの第１レンズへの接触による破損や、接着剤の付着の可能性を低減することができる。
【００１７】
また、この組レンズと半導体レーザの組み付けに際して、上記のように半導体レーザと組レンズを位置決めして配置し、組レンズの複数の取付部と半導体レーザの間に接着剤を塗布し、塗布した接着剤の仮硬化を行い、組レンズの位置調整後に複数の接着剤塗布部に同時に紫外線を照射して接着剤を硬化させることにより、上記のように接着剤が発光面に付着することなくかつ接着剤の硬化収縮の影響を殆ど受けずに半導体レーザに組レンズを位置精度良く組み付けることができる。
【００１８】
また、仮硬化時に照射する光量は、接着剤硬化に必要な光量の１／６００００から１／３０００とするのが好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の半導体レーザへのレンズ組み付け方法の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００２０】
図１、図２において、１は半導体レーザであり、ライン状に配列された複数のレーザ発光部３を有する半導体レーザアレイ２を冷却板４に装着して構成され、冷却板４にて半導体レーザアレイ２を冷却するように構成されている。
【００２１】
５は、各レーザ発光部３からの出射光を平行光化するため、半導体レーザアレイ２の発光面に所定の隙間を設けて対向配置されるコリメータレンズであり、両端に半導体レーザ１に組み付けるための取付部６ａ、６ｂが冷却板４の両側端面に向けて延設され、冷却板４の両側端面と取付部６ａ、６ｂの間に接着剤７ａ、７ｂを塗布し、この接着剤７ａ、７ｂを硬化させることでコリメータレンズ５が半導体レーザ１に組み付けられている。接着剤７ａ、７ｂとしては、一般的に紫外線硬化型接着剤、特に耐熱性が高く、硬化収縮が小さいエポキシ系が用いられる。
【００２２】
なお、半導体レーザ１の各レーザ発光部３から放射されるレーザ光の放射角は、レーザ発光部３の活性層に垂直な方向に大きく広がるため、レーザ光を有効に利用するためには、コリメータレンズ５のＮＡは０．８ｍｍ程度のものが必要である。また、このような半導体レーザ１を積み重ねることで高出力化する場合、コリメータレンズ５の断面高さ寸法を冷却板４の厚みと同程度とし、その厚みを２ｍｍとすると、コリメータレンズ５の焦点距離は０．８ｍｍ程度、作動距離は０．３ｍｍ程度となる。
【００２３】
次に、図３を参照して、半導体レーザ１に上記のようにコリメータレンズ５を組み付ける手順を説明する。
【００２４】
まず、コリメータレンズ５と半導体レーザ１のアライメント（位置合わせ）を行う。コリメータレンズ５と各レーザ発光部３の位置がずれると、コリメータレンズ５からの射出光の方向、平行度にずれが生じ、この平行光を集光したときの集光スポットが広がってしまう。例えば、半導体レーザ１の各レーザ発光部３とコリメータレンズ５とが１０μｍ位置ずれを起こすと、コリメータレンズ５の焦点距離が０．６ｍｍのとき、コリメータレンズ５の射出光の方向が１°ずれる。半導体レーザ１を積み重ねて用いるとき、この平行光をｆ＝１００ｍｍの集光レンズで集光すると、スポット径は３．５ｍｍにもなる。これに対してコリメータレンズ５の位置ずれがない場合には、スポット径は０．０５ｍｍに絞ることができる。
【００２５】
このようにコリメータレンズ５の位置、傾きを高精度に調整した後、接着剤７ａを塗布する。接着剤７ａは冷却板４と取付部６ａとの間に充填されるように塗布する。接着剤７ａを塗布した後放置すると、毛細管現象により接着剤７ａはコリメータレンズ５と半導体レーザアレイ２の発光面との間に浸透してくる。接着剤７ａの粘度４００００ｃｐｓ、室温２５℃、コリメータレンズ５と発光面との間の距離が０．３ｍｍの場合、取付部６ａの長さに相当する約２ｍｍの距離を２０秒で移動する速度で接着剤７ａが浸透する。この速度は、接着剤７ａの塗布量が少ないほど遅く、多いほど速い。そこで、コリメータレンズ５と半導体レーザアレイ２間への接着剤の浸透速度を遅くするために、塗布量を少なくすると、取付部６ａと冷却板４との間に接着剤７ａが十分に充填されず隙間ができ、あるいは強度が足りなくなるという問題が生じる。
【００２６】
また、接着剤塗布後、２０秒以下で紫外線を照射し接着剤を硬化した場合、接着剤塗布時にコリメータレンズ５の位置ずれが生じ、この時間内での再アライメントができないと、コリメータレンズ５の位置ずれが生じたまま接着剤７ａが硬化してしまうことになる。また、コリメータレンズ５の位置ずれがない場合でも、コリメータレンズ５を片側づつ硬化すると、接着剤の硬化収縮によりコリメータレンズ５の位置ずれが起こり易くなる。
【００２７】
そこで、接着剤７ａの仮硬化を行う。仮硬化では、接着剤７ａを完全に硬化させず、コリメータレンズ５と半導体レーザアレイ２の発光面との間に接着剤が流れ込まない程度で、かつレンズアライメントを行える程度の硬さとする。例えば、ＸＯＣ−０２ＴＨＫ（協立化学産業製）では、紫外線照射硬化光量６０００ｍＪ／ｃｍ^２に対し、１／６００００〜１／３０００の光量、すなわち、０．１〜２ｍＪ／ｃｍ^２の光量にすればよい。１０ｍＪ／ｃｍ^２の光量では、接着剤が硬くなりすぎ、レンズアライメントができなくなる。逆に、０．０５ｍＪ／ｃｍ^２以下の光量では、接着剤７ａが硬化せず、半導体レーザアレイ２の発光面への浸透を防げない。
【００２８】
このように接着剤７ａを塗布し、２０秒以内に０．１〜２ｍＪ／ｃｍ^２の光量を照射した後、次いで接着剤７ｂを塗布し、同様に２０秒以内に、０．１〜２ｍＪ／ｃｍ^２の光量を照射する。
【００２９】
次に、コリメータレンズ５に位置ずれがあれば、再度、レンズアライメントを行う。そのあと、接着剤７ａ、７ｂに対して、両方同時に紫外線を照射することで、均等に硬化収縮を起こし、コリメータレンズ５の位置ずれを防止する。
【００３０】
以上のように本実施形態によれば、紫外線硬化型接着剤において、紫外線照射量を本硬化時の１／６００００〜１／３０００の光量で仮硬化することで、半導体レーザアレイ２の発光面への接着剤の浸透を防ぐことができる。さらに、仮硬化後、コリメータレンズ５のアライメントを行えるので、半導体レーザ１とコリメータレンズ５との間の位置決めを精度良く行うことができ、集光特性の高い平行光を得ることができる。また、コリメータレンズ５の両側の接着剤７ａ、７ｂを本硬化のときに両方同時に紫外線を照射することで、均等な硬化収縮を起こさせ、コリメータレンズ５の位置ずれを低減することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の半導体レーザへのレンズ組み付け方法の第２の実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。
【００３２】
図４は、半導体レーザ１の出射光を２つのシリンドリカルレンズ８、９を用いて平行光化する構成を示している。１は半導体レーザであり、半導体レーザアレイ２の複数のレーザ発光部３の活性層がＸ−Ｚ面上でＸ方向にライン状に配列されている。８は、第１のレンズであり、半導体レーザ１の各レーザ発光部３の活性層に垂直な方向（Ｙ方向）に出射光を平行光化するシリンドリカルレンズにて構成されている。９は、第２レンズであり、半導体レーザ１の各レーザ発光部３の活性層に平行な方向（Ｘ方向）に出射光を平行光化するシリンドリカルレンズアレイにて構成されている。
【００３３】
図５に、第１レンズ８と第２レンズ９を位置調整するレンズ位置調整装置の光学系を示す。１０は、半導体レーザ１における各レーザ発光部３のピッチと等しいピッチ間隔で配設されたレーザあるいはＬＥＤなどの発光点１１を有する光源である。１２は、第１レンズ８と第２レンズ９で平行光化された光を集光するレンズであり、１３はレンズ１２の後側の焦点位置に配設されたＣＣＤカメラである。１４は、ＣＣＤカメラ１３で撮像した画像を表示するモニターテレビであり、１５は撮像したビーム像である。１６ａ、１６ｂは第１レンズ８と第２レンズ９を固定する接着剤である。
【００３４】
次に、以上の構成におけるレンズ組み付け手順を説明する。まず、第２レンズ９を取り付けず、第１レンズ８のみを取り付けて光源１０を点灯する。図６（ａ）に示すように、横長の楕円形のビーム像１７が画面中央にくるように第１レンズ８の位置調整を行う。次に、第２レンズ９を取り付け、光源１０を点灯する。図６（ｂ）に示すように、円形のビーム像１８が画面中央にくるように第２レンズ９の位置を調整する。最後に、第１レンズ８の取付部と第２レンズ９の取付部に接着剤１６ａ、１６ｂを塗布して硬化し、第１レンズ８と第２レンズ９を相互に固定して組レンズ１９を構成する。
【００３５】
以上のようにして構成された第１レンズ８と第２レンズ９から成る組レンズ１９を半導体レーザ１に上記第１の実施形態で説明した方法で組み付けることで、半導体レーザ１に対する第１レンズ８と第２レンズ９の位置調整及び接着を１回で済ますことができる。また、第２レンズ９の第１レンズ８への接触による破損、あるいは接着剤の付着の可能性を低減することができる。また、半導体レーザ１には、レーザ発光部３の並びが直線からずれていることがあるが、レンズ位置調整装置で用いる光源１０に精度の高いものを用いることで、第１レンズ８と第２レンズ９の組み付けを高精度で行うことができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザへのレンズ組み付け方法によれば、コリメータレンズの複数の取付部と半導体レーザの間に塗布した接着剤の仮硬化を行うことで、半導体レーザとコリメータレンズの隙間に接着剤が浸透して発光面に付着するのを防止しながら、コリメータレンズの位置調整を可能とし、コリメータレンズの位置調整を行った後接着剤を同時に硬化させるので、接着剤が発光面に付着することなくかつ接着剤の硬化収縮の影響を殆ど受けずに半導体レーザにレンズを位置精度良く組み付けることができる。
【００３７】
また、半導体レーザの活性層に垂直な方向にレーザ光を平行光化する第１レンズと、活性層に平行な方向にレーザ光を平行光化する第２レンズとを、半導体レーザのレーザ発光部と同ピッチの発光点を有する光源を用いてレンズ間の位置調整を行い、相互に接着固定して組レンズに結合し、組レンズを半導体レーザに組み付けると、半導体レーザへのレンズの位置調整、接着を１回で済ますことができ、また第２レンズの第１レンズへの接触による破損や、接着剤の付着の可能性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザとコリメータレンズの組み付け状態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】同実施形態における半導体レーザにコリメータレンズを組み付ける手順のフロー図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における半導体レーザとコリメータレンズの組み付け状態を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】同実施形態におけるレンズ位置調整装置の模式図である。
【図６】同実施形態におけるレンズ位置調整時におけるＣＣＤカメラの撮像画像の説明図である。
【図７】従来例の半導体レーザとコリメータレンズの組み付け手順のフロー図である。
【符号の説明】
１　半導体レーザ
３　レーザ発光部
５　コリメータレンズ
６ａ、６ｂ　取付部
７ａ、７ｂ　接着剤
８　第１レンズ
９　第２レンズ
１０　光源
１１　発光点
１９　組レンズ

Claims

半導体レーザにコリメータレンズを紫外線硬化型接着剤にて組み付ける方法であって、半導体レーザとコリメータレンズを位置決めして配置した状態でコリメータレンズの複数の取付部と半導体レーザの間に接着剤を塗布し、その後塗布した接着剤の仮硬化を行い、次にコリメータレンズの位置調整後に複数の接着剤塗布部に同時に紫外線を照射して接着剤を硬化させることを特徴とする半導体レーザへのレンズ組み付け方法。
半導体レーザからの出射光を平行光化するレンズを半導体レーザに組み付ける方法であって、半導体レーザの活性層に垂直な方向にレーザ光を平行光化する第１レンズと、活性層に平行な方向にレーザ光を平行光化する第２レンズとを、半導体レーザのレーザ発光部と同ピッチの発光点を有する光源を用いてレンズ間の位置調整を行い、相互に接着固定して組レンズに結合し、組レンズを半導体レーザに組み付けることを特徴とする半導体レーザへのレンズ組み付け方法。
半導体レーザと組レンズを位置決めして配置し、組レンズの複数の取付部と半導体レーザの間に接着剤を塗布し、塗布した接着剤の仮硬化を行い、組レンズの位置調整後に複数の接着剤塗布部に同時に紫外線を照射して接着剤を硬化させることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザへのレンズ組み付け方法。
仮硬化時に照射する光量を、接着剤硬化に必要な光量の１／６００００から１／３０００とすることを特徴とする請求項１又は３に記載の半導体レーザへのレンズ組み付け方法。