JP2004096088A - 合波レーザー光源および露光装置 - Google Patents

合波レーザー光源および露光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高出力が得られる低コストの合波レーザー光源を得る。
【解決手段】複数の半導体レーザーＬＤ１〜７からそれぞれ出射したレーザービームＢ１〜７を、例えばコリメーターレンズ１１〜１７および集光レンズ２０からなる集光光学系で集光した上でマルチモード光ファイバー３０に結合させて合波する。そして半導体レーザーとして、チップ状態のシングルキャビティ窒化物系化合物半導体レーザーＬＤ１〜７を用い、それらをサブマウント９を介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック１０上に実装する。またサブマウント９は熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成し、このサブマウント９に対して半導体レーザーＬＤ１〜７は、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する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は合波レーザー光源に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザーから発せられたレーザービームを光ファイバーを利用して合波する合波レーザー光源に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような合波レーザー光源を露光用光源として用いる露光装置に関するものである。
【０００３】
【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。
【０００４】
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系半導体レーザーも提供されている。
【０００５】
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。
【０００６】
【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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑み、高出力が得られる低コストの合波レーザー光源を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明は、上述のような合波レーザー光源を用いることにより、高強度のレーザー光で感光材料を露光可能な露光装置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】
本発明による合波レーザー光源は、
複数の半導体レーザーと、
１本のマルチモード光ファイバーと、
前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前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合波レーザー光源において、
前記半導体レーザーとして、チップ状態のシングルキャビティ窒化物系化合物半導体レーザーが用いられ、
この半導体レーザー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半導体レーザーが、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を特徴とするものである。
【００１４】
なお上記窒化物系化合物半導体レーザーとしてはＧａＮ系半導体レーザー素子が好適に用いられ、その場合は前記サブマウントがＡｌＮから形成されることが望ましい。
【００１５】
また上記のサブマウントも前記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。
【００１６】
なお上述の構成においては、
複数の半導体レーザーが、各々の活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設され、
集光光学系が、前記発光点の並び方向の開口径が該方向に直角な方向の開口径よりも小さく形成されて、各半導体レーザー毎に設けられた複数のコリメーターレンズ、およびこれらのコリメーターレンズで平行光化された複数のレーザービームをそれぞれ集光して前記マルチモード光ファイバーの端面で収束させる集光レンズから構成されていることが望ましい。
【００１７】
また、上記複数のコリメーターレンズは互いに一体化されて、レンズアレイとして構成されることが望ましい。
【００１８】
他方、上記複数の半導体レーザーを実装するブロックは、複数に分割され、互いに張り合わせて一体化されていることが望ましい。
【００１９】
また複数の半導体レーザーは、一列に並べて配置する場合には３〜１０個、さらに好ましくは６または７個設けられることが望ましい。またこの半導体レーザーとしては、発光幅が１．５〜５μｍ、さらに好ましくは２〜３μｍのものが用いられるのが望ましい。そしてこの半導体レーザーとしては、ＧａＮ系半導体レーザーが用いられることが望ましい。
【００２０】
一方上記マルチモード光ファイバーとしては、コア径が５０μｍ以下で、ＮＡ（開口数）が０．３以下のものが用いられることが望ましい。さらに、このマルチモード光ファイバーとしては、コア径×ＮＡの値が７．５μｍ以下のものが用いられることが望ましい。
【００２１】
また本発明の合波レーザー光源において、複数の半導体レーザーは、レーザービームの照射を受ける側から見た状態で２次元的に配列固定されて、マルチモード光ファイバーへの光入力をより高くする構造となっていることが望ましい。
【００２２】
本発明の合波レーザー光源は、上述したマルチモード光ファイバーを１本だけ用いて構成されてもよいが、好ましくは、該マルチモード光ファイバーを複数用いて、それらのマルチモード光ファイバーの各々に複数の半導体レーザーおよび集光光学系を組み合わせ、各マルチモード光ファイバーから高出力のレーザービームを発するように構成することもできる。そのようにする場合、複数のマルチモード光ファイバーは少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいは、バンドル状に配設されるのが望ましい。
【００２３】
本発明による露光装置は、上記のように複数のマルチモード光ファイバーが１次元アレイ状、あるいは、バンドル状に配設されてなる本発明の合波レーザー光源を露光用光源として備えたことを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の合波レーザー光源は、複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光してマルチモード光ファイバーに結合させる極めて簡単な構成のものであって、特に作製が困難な要素も必要としないので、低コストで形成可能となる。
【００２５】
それに加えて本発明の合波レーザー光源は、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ているので、半導体レーザー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。
【００２６】
また本発明の合波レーザー光源は、サブマウントに対して半導体レーザー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、半導体レーザーの基板側をサブマウントに固定する場合と比べて該レーザー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。また、サブマウントの厚み調整はチップ基板の厚み調整よりも容易にできることからサブマウントの厚み精度を１μｍ以下とすることで、さらにチップをジャンクションダウン構造で実装することで、チップ毎の発光点高さバラツキも抑制することができるので、光ファイバーへの高効率結合も可能となる。
【００２７】
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、それにより半導体レーザーとサブマウントとが接着されている本発明の合波レーザー光源は、半導体レーザー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。
【００２８】
さらに本発明の合波レーザー光源においては、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半導体レーザー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。
【００２９】
さらに本発明の合波レーザー光源は、サブマウントと半導体レーザー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るので、この接着部で発生する応力を小さく抑えることも可能となっている。
【００３０】
また本発明の合波レーザー光源において、特に複数の半導体レーザーが、各々の活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設され、集光光学系が、前記発光点の並び方向の開口径が該方向に直角な方向の開口径よりも小さく形成されて、各半導体レーザー毎に設けられた複数のコリメーターレンズ、およびこれらのコリメーターレンズで平行光化された複数のレーザービームをそれぞれ集光して前記マルチモード光ファイバーの端面で収束させる集光レンズから構成された場合には、複数の半導体レーザーの配置ピッチをより短くして、より高密度に配置できるようになる。このように複数の半導体レーザーをより高密度に配置しておくと、複数のレーザービームの光ファイバー端面における位置ずれがより小さく抑えられるようになるので、複数の半導体レーザー、マルチモード光ファイバーおよび集光光学系の組立位置精度を比較的緩くできるという効果が得られ、さらに、この組立位置精度を緩くできることから、合波本数をより多くして高出力化できる。その理由は、後に実施の形態に沿って詳しく説明する。
【００３１】
また、上述のような複数のコリメーターレンズが互いに一体化されてレンズアレイとして構成される場合は、複数のコリメーターレンズが１個ずつ別体に形成される場合と比較して、各レンズの周辺部に大きな非有効領域ができてしまうことを避けられるから、各レンズを互いにより近接させて配置可能となる。そうであれば、複数の半導体レーザーをよりさらに高密度に配置できるので、上記の組立位置精度を緩くできるという効果、合波本数をより多くして高出力化できるという効果がさらに顕著なものとなる。
【００３２】
さらにこの場合は、コリメーターレンズの位置調整作業が、１つのレンズアレイの位置を調整するだけで済むので、この作業が簡素化される。
【００３３】
また、印刷、医用画像の分野や、ＰＣＢ（プリント・サーキット・ボード）、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等による画像を感光材料に露光する場合等においては、上記マルチモード光ファイバーとしてコア径が５０μｍ以下のものを用いると、露光スポットを微細なものにして高精細な画像を露光できるようになる。また、そのマルチモード光ファイバーのＮＡが０．３以下であると、上述のような高精細画像を露光する上で十分な焦点深度が確保され、鮮鋭度の高い画像を露光可能となる。
【００３４】
また、マルチモード光ファイバーとしてコア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものを用いる場合、それらの組合せとしては例えば５０μｍ×０．２、４０μｍ×０．２５、３０μｍ×０．３、２５μｍ×０．３等が挙げられる。なおここでは、光ファイバーのＮＡが０．３を超えるとその作成が難しくなるので、上記の値としている。このような特性のマルチモード光ファイバーを用いると、そのＮＡと同程度のＮＡのコリメーターレンズで各半導体レーザーからのレーザービームを平行光化でき、ＮＡ＝０．３の集光レンズで２５μｍ以下のスポットに合波レーザービームを集光させることも可能になる。それにより、高解像度と十分な焦点深度を確保できるようになる。
【００３５】
他方、上記複数の半導体レーザーを実装するブロックが複数に分割され、互いに張り合わせて一体化されている場合は、１つのブロックに半導体レーザーを全て実装する場合と比較して、実装の歩留まりを向上させることができる。例えば、１つの半導体レーザーの実装歩留まりが９８％の場合、６個の半導体レーザーを１つのブロックに全て実装する場合の全体の実装歩留まりは８６％（＝０．９８６×１００）であり、それに対して３個ずつ２つのブロックに実装する場合のそれは、２つのブロックを接合する歩留まりはほぼ１００％を実現できるので、９４％（＝０．９８３×１００）に向上する。
【００３６】
また本発明の合波レーザー光源において、半導体レーザーが３個以上設けられれば、従来知られている偏光合波では２個の半導体レーザーからのレーザービームしか合波できないのに対し、それを上回る高出力の合波ビームを得ることが能になる。ただし、１つの半導体レーザーの実装歩留まりが通常その程度であるように９８％であるとすると、半導体レーザーを１０個設ける場合には、実装歩留まりが８２％まで低下する。それ以上の歩留まり低下は現実上避けなければならないないので、本発明の好ましい実施の形態においては、この半導体レーザーの数の上限を１０個とする。
【００３７】
さらに、半導体レーザーの数が１０個一列に並べて配置される場合、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーを用いたとき、求められる実装精度は０．１μｍ未満と非常に厳しい値になってしまうが、一列に並べる半導体レーザーの数を６または７個としておくことにより、求められる実装精度は０．３〜１μｍ未満と著しく緩和される。また、半導体レーザーの数が６または７個の場合は、３個の場合と比べて２倍以上の高出力を得ることができる。
【００３８】
また半導体レーザーとして発光幅が１．５μｍ以上のものを適用することにより、例えばそれがＧａＮ系半導体レーザーである場合は、完全単一横モード構造のものの最大出力（３０ｍＷ程度）と比較して、高い出力（５０ｍＷ以上）を得ることができる。一方、半導体レーザーとして発光幅が５μｍ以下のものを適用することにより、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーに対して半導体レーザーが３個以上の集光結合系を構成可能となる。また、半導体レーザーとして発光幅が２〜３μｍのものを適用することにより、前記の画像形成用の光学系において半導体レーザーが６または７個の集光結合系を構成可能となる。
【００３９】
また複数の半導体レーザーを、レーザービームの照射を受ける側から見た状態で２次元的に配列すれば、多数の半導体レーザーを高密度に配置できるから、１本のマルチモード光ファイバーにより多数のレーザービームを入射させることが可能となって、より高出力の合波レーザービームを得ることができる。
【００４０】
他方、本発明の合波レーザー光源が、複数のマルチモード光ファイバーを少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいはバンドル状に配設してなる場合は、それらの光ファイバーから高出力のレーザービームを１次元あるいは２次元に整列した状態で出射させることができる。そうであれば、整列して出射する複数のレーザービームの各々を、変調部がライン状、あるいは２次元状に配列されてなるＧＬＶやＤＭＤ等の空間光変調素子の各変調部に入射させて、画像露光等のために効率良く変調させることができる。
【００４１】
そこで、上述のように構成された合波レーザー光源を露光用光源として用いる本発明の露光装置は、上記空間光変調素子を併せて用いて、２次元に整列して出射するレーザービームをそのまま感光材料に２次元状に照射することにより、あるいは１次元あるいは２次元に整列して出射するレーザービームを感光材料に照射するとともに感光材料をレーザービームに対して相対的に副走査移動させることにより、該感光材料に２次元画像を露光可能なものとなる。
【００４２】
【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。
【００４３】
図１は、本発明の第１の実施の形態による合波レーザー光源の平面形状を示すものである。図示されるようにこの合波レーザー光源は、銅からなるヒートブロック（放熱ブロック）１０上にサブマウント９を介して配列固定された一例として７個のチップ状態の横シングルモードシングルキャビティＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７と、各ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７に対してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバー３０とから構成されている。
【００４４】
なおこの図１は、本実施の形態の合波レーザー光源の基本構成を示すものであり、コリメーターレンズ１１〜１７および集光レンズ２０の形状は概略的に示してある。また、それらの取付状態の詳細については後に説明する。なお、ヒートブロック１０に対するサブマウント９およびＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の取付状態を、図２に示す。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の実装に関しては、後に詳しく説明する。
【００４５】
ＧａＮ系半導体レーザー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３０ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザー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１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７によって平行光化される。
【００４６】
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。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。
【００４７】
次に、この合波レーザー光源からなる紫外光高輝度合波ファイバーモジュールについて詳しく説明する。図３、４および５はそれぞれ、この紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの平面形状、側面形状および部分正面形状を示すものである。なおこれらの図では、コリメーターレンズ１１〜１７および集光レンズ２０の形状や取付状態を詳しく示してある。
【００４８】
本例においてモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が画成する閉空間内に密閉保持される。
【００４９】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面に前記ヒートブロック１０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック１０にコリメーターレンズ１１〜１７を保持するコリメーターレンズホルダ４４が固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、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４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００５０】
なお図３においては、図の煩雑化を避けるために、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７のうち１つのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ７にのみ番号を付し、同様にコリメーターレンズ１１〜１７のうち１つのコリメーターレンズ１７にのみ番号を付してある。
【００５１】
図５は、上記コリメーターレンズ１１〜１７の取付部分の正面形状を示すものである。ここに示されるように各コリメーターレンズ１１〜１７は、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取った形とされたものであり、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。図６の（１）および（２）にはそれぞれ、それらを代表して１つのコリメーターレンズ１７の拡大側面形状および正面形状を、要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示してある。
【００５２】
図５および６に示される通りコリメーターレンズ１１〜１７は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の発光点の並び方向（図５の左右方向）の開口径が該方向に直角な方向（図５の上下方向）の開口径よりも小さく形成されて、上記発光点の並び方向に密接配置されている。
【００５３】
一方ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７としては、発光幅が約１μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が一例としてそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザービームＢ１〜７を発するものが用いられている。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００５４】
したがって、各発光点から発せられたレーザービームＢ１〜７は、上述のように細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１７に対して、拡がり角最大の方向が開口径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１７は、入射するレーザービームＢ１〜７の楕円形の断面形状に対応して、非有効部分を極力少なくして使用されることになる。本実施の形態では具体的に、コリメーターレンズ１１〜１７の開口径は水平方向、垂直方向で各々１．１ｍｍ、４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザービームＢ１〜７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメーターレンズ１１〜１７の各焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００５５】
また図７の（１）および（２）はそれぞれ、集光レンズ２０の拡大側面形状および正面形状を、要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示すものである。ここに示されるように集光レンズ２０も、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取って、コリメーターレンズ１１〜１７の並び方向つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状とされている。そして該集光レンズ２０の焦点距離ｆ２＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。
【００５６】
他方、マルチモード光ファイバー３０としては、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバーを基本として、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、端面コートの透過率＝９９．５％以上のものが用いられている。本例の場合、先に述べたコア径×ＮＡの値は１０μｍである。
【００５７】
本実施の形態の構成においては、レーザービームＢ１〜７のマルチモード光ファイバー３０への結合効率が０．９となる。したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の各出力が３０ｍＷのときには、出力１９０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×７）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００５８】
以上説明した紫外光高輝度合波ファイバーモジュールは図８に示すように、マルチモード光ファイバー３０の出射端部を１次元アレイ状に配設して、それらのマルチモード光ファイバー３０の各々から高輝度の紫外レーザービームＢを射出する光源装置を構成することができる。具体的には、出力１９０ｍＷの合波レーザービームＢを出射させるマルチモード光ファイバー３０を５３本並べることで、１０Ｗもの超高出力でかつ高光密度｛１０Ｗ／（１２５μｍ×５３本）＝１．５Ｗ／ｍｍ｝を実現でき、エネルギー効率もＧａＮ系半導体レーザーの発光効率と同等のほぼ１５％という高い値を実現できる。同様の構成にて、横マルチモードの出力１００ｍＷの半導体レーザーを用いることで、ファイバー出力６３０ｍＷが得られ、高光密度｛１０Ｗ／（１２５μｍ×１６本）＝５Ｗ／ｍｍ｝を実現できる。
【００５９】
また、上記マルチモード光ファイバー３０の出射端部をバンドル状に配設して、光源装置を構成することも可能である。そのような光源装置は、１次元あるいは２次元空間光変調素子と組み合わせて、画像露光装置に好適に利用され得るものとなる。そのような画像露光装置については、後に詳しく説明する。
【００６０】
次に図１７および１８を参照して、サブマウント９を用いたＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の実装について詳しく説明する。図１７は、窒化物系化合物半導体レーザーであるＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７のうちの１つのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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１つのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１に代表させて実装を説明するが、これは他のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２〜７に関しても同様である。
【００６１】
まず図１８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１８のｄ寸法である。
【００６２】
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。
【００６３】
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系半導体レーザー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系半導体レーザーＬＤ１をＡｌＮサブマウント９に接着固定する。
【００６４】
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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００６５】
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。
【００６６】
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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００６７】
また本実施の形態においてＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１は、Ａｌ２Ｏ３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。
【００６８】
またこの構造において、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１の発光点は、図１７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系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００６９】
なおＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１のｎ側電極５１３ａ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５１３ａ、ｐ側電極５１３ｂを導通させるようにしてもよい。
【００７０】
本実施の形態では、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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７１】
また本実施の形態の合波レーザー光源では、ＡｌＮサブマウント９に対してＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７２】
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系半導体レーザーＬＤ１とＡｌＮサブマウント９とが接着されている本実施の形態の合波レーザー光源は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７３】
図１０のａは、上記のように実装されたＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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、本実施の形態におけるＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７４】
次に図１９は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１を実装した際に熱歪によってＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７５】
図１９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系半導体レーザーＬＤ１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ものである。
【００７６】
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。本実施の形態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。
【００７７】
また図２０は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１を実装した際に熱歪によってＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００７８】
図２０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系半導体レーザーＬＤ１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系半導体レーザーＬＤ１の発光点に作用すると、そこに応力が発生しやすくなる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントの厚さを２００〜４００μｍの範囲に設定するものである。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。
【００７９】
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系半導体レーザーＬＤ１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。
【００８０】
本発明の合波レーザー光源のように、複数の半導体レーザー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。
【００８１】
次に、図９を参照して本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源について説明する。なおこの図９において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００８２】
この第２の実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、個別に形成された７個のコリメーターレンズ１１〜１７に代えて、７つのレンズ要素５０ａを有するコリメーターレンズアレイ５０が用いられた点が基本的に異なるものである。そしてＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の実装は、先に説明した第１の実施の形態と同様になされる。
【００８３】
前述した通りの形状とされた７個のコリメーターレンズ１１〜１７を用いる場合も、それらを互いに密接配置して、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の配置ピッチを小さくし、空間利用効率を高めることができるが、上述のコリメーターレンズアレイ５０を用いることにより、その効果をより一層高めることが可能である。また、そのようにして空間利用効率が高められると、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７、集光光学系およびマルチモード光ファイバー３０の組立位置精度を比較的緩くできるという効果も得られる。以下、その理由について詳しく説明する。
【００８４】
図９の中に示すように、コリメーターレンズアレイ５０の各レンズ要素５０ａの（図１の構成においては各コリメーターレンズ１１〜１７の）焦点距離および開口数をそれぞれｆ１、ＮＡ１、集光レンズ２０の焦点距離をｆ２、マルチモード光ファイバー３０の開口数をＮＡ２、空間利用効率をηとする。なおこの空間利用効率ηは、レーザービームＢ１と〜レーザービームＢ７とで挟まれる空間中で、７本のレーザービームＢ１〜７の光路が占める割合で規定するものであり、図９の場合のように７本のレーザービームＢ１〜７の光路が互いに完全密接する状態がη＝１である。
【００８５】
上記の条件下では、レンズ系の倍率ａ、つまりＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の各発光点におけるビームスポット径に対する、マルチモード光ファイバー３０のコア端面上におけるビームスポット径の比は下式で与えられる。なおＮは合波本数である。
【００８６】
【数１】
Figure 2004096088
この式から明らかな通り、空間利用効率ηがより大きいほど倍率Ｍは低下する。そして倍率ａがより小さいほど、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７、集光光学系およびマルチモード光ファイバー３０の相対位置関係がずれた際に、レーザービームＢ１〜７がマルチモード光ファイバー３０のコア端面上で動く距離が小さくなる。そこで、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７、集光光学系およびマルチモード光ファイバー３０の組立位置精度を比較的緩くしておいても、レーザービームＢ１〜７をマルチモード光ファイバー３０のコア３０ａに正常に入射させることが可能になる。このように組立位置精度を緩くできれば、さらに合波本数を増やすことも可能になり、高出力化できる。これは、上記空間利用効率ηが大きいと倍率Ｍが低下することにより、合波本数を増やすことで倍率Ｍが増大することを補って、合波本数を多く設定できるからである。
【００８７】
以上、合波本数を７本とした２つの実施の形態について説明したが、本発明の合波レーザー光源における合波本数はこの７本に限られるものではなく、２本以上のいずれの数が選択されてもよい。ただし好ましい合波本数は、先に述べた通りである。
【００８８】
また、先に述べた第１および２の実施形態、並びに下記第３の実施形態におけるように、複数の半導体レーザーをヒートブロック等の支持部材に１列に並べて固定する場合は、各々複数の半導体レーザーを固定したその支持部材を複数積層した構造を採用して、多数の半導体レーザーを２次元的に配列させることができる。
【００８９】
以上のようにして多数の半導体レーザーを、レーザービームの照射を受ける側から見た状態で２次元的に配列すれば、多数の半導体レーザーを高密度に配置できるから、１本のマルチモード光ファイバーにより多数のレーザービームを入射させることが可能となって、より高出力の合波レーザービームを得ることができる。
【００９０】
次に、図１１を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。この第３実施形態の合波レーザー光源も、互いに同じ波長の複数のレーザービームを合波するようにしたものであり、銅からなるヒートブロック２６０上に配列固定された８個のチップ状態のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２１，ＬＤ２２，ＬＤ２３，ＬＤ２４，ＬＤ２５，ＬＤ２６，ＬＤ２７およびＬＤ２８と、合波光学系２７０とから構成されている。
【００９１】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２１〜２８は、発振波長が例えば全て共通の４００ｎｍであり、出力も全て共通の５０ｍＷである。そしてこれらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２１，ＬＤ２２，ＬＤ２３，ＬＤ２４，ＬＤ２５，ＬＤ２６，ＬＤ２７およびＬＤ２８から発散光状態で出射したレーザービームＢ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４，Ｂ２５，Ｂ２６，Ｂ２７およびＢ２８は、マイクロレンズアレイ２６１によって平行光化される。
【００９２】
このマイクロレンズアレイ２６１によって平行光とされたレーザービームＢ２１〜２８は、１つの集光レンズ２６２によって集光され、マルチモード光ファイバー２５１のコア２５１ａの一端面上で収束する。マルチモード光ファイバー２５１は、マイクロレンズアレイ２６１および集光レンズ２６２とともに合波光学系２７０を構成している。すなわち、集光レンズ２６２によって上述のように集光されたレーザービームＢ２１〜２８がこのマルチモード光ファイバー２５１のコア２５１ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢ２０に合波されてマルチモード光ファイバー２５１から出射する。
【００９３】
この構成においては、マイクロレンズアレイ２６１の各レンズのＮＡ（開口数）を０．５とし、集光レンズ２６２による各ビームの集束角α＝２．７５°とすると、レーザービームＢ２１〜２８のコア２５１ａ上での収束スポット径は約１．４μｍとなる。そして、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２１〜２８の出力が全て５０ｍＷのとき、合波されたレーザービームＢ２０の出力は４００ｍＷとなる。
【００９４】
また本実施の形態では、８個のチップ状態のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２１〜２８を、サブマウント９を介してヒートブロック２６０の上に実装している。この実装も、先に説明した第１の実施の形態と同様になされる。
【００９５】
次に、図２３、２４および２５を参照して、本発明の合波レーザー光源に用いられ得るレーザー装置４１０’について説明する。図２３、２４および２５はそれぞれ、このレーザー装置４１０’の側面形状、正面形状および平面形状を示すものである。このレーザー装置４１０’は、シングルキャビティレーザーダイオードチップ４１２が一例として横に１０個並設され、それが上下に２段配置されてなる。つまりここでは、ヒートブロック４１１の上に別のヒートブロック４１１’が積み重ねて固定され、各ヒートブロック４１１および４１１’にそれぞれ、１０個のシングルキャビティレーザーダイオードチップ４１２と１個の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４１４とが固定されている。
【００９６】
シングルキャビティレーザーダイオードチップ４１２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のものであり、各々から出力３０ｍＷのレーザービーム４１２Ｂが発せられる。
【００９７】
一方ヒートブロック４１１は、レーザーダイオードチップ４１２を固定する水平なレーザー固定面４１１ａと、レーザーダイオードチップ４１２を固定した部分よりも前方側（レーザービーム４１２Ｂの射出方向）に形成されたレンズ規定面４１１ｂと、上記発光点４１２ａから発散光状態で射出されるレーザービーム４１２Ｂのケラレを回避する凹部４１１ｃとを有している。またヒートブロック４１１’はヒートブロック４１１と同様にレーザービーム４１２Ｂのケラレを回避する凹部４１１ｃを有する他、下段のヒートブロック４１１に固定されるレーザーダイオードチップ４１２との干渉を避けるための凹部４１１ｄを有している。
【００９８】
上記レーザー固定面４１１ａは、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。レーザーダイオードチップ４１２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４１１ａにロウ材を用いて固定される。
【００９９】
上記レンズ規定面４１１ｂは、レーザーダイオードチップ４１２の各発光点４１２ａから所定距離離れて、該レーザーダイオードチップ４１２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４１１ｂも、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【０１００】
またコリメーターレンズアレイ４１４は、１０個のコリメーターレンズ４１４ａが一列に一体的に固定されてなるものである。本例において１つのコリメーターレンズ４１４ａ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１．３ｍｍで、レーザービーム４１２Ｂ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。
【０１０１】
さらにコリメーターレンズアレイ４１４は、１０個のコリメーターレンズ４１４ａ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４１１、４１１’への取付端面４１４ｂとされている。コリメーターレンズアレイ４１４は、これら２箇所の取付端面４１４ｂを前記レンズ規定面４１１ｂに接着剤を用いて接着する等により、ヒートブロック４１１、４１１’に固定される。
【０１０２】
その際、レーザーダイオードチップ４１２の発光軸Ｏと、各コリメーターレンズ４１４ａの光軸とが一致する状態にコリメーターレンズアレイ４１４を位置合わせする必要がある。本例の場合は、コリメーターレンズアレイ４１４の取付端面４１４ｂをレンズ規定面４１１ｂに押しつけながら、このコリメーターレンズアレイ４１４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。
【０１０３】
ヒートブロック４１１、４１１’におけるコリメーターレンズアレイ４１４の固定位置とレンズ規定面４１１ｂ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４１４がヒートブロック４１１、４１１’に固定されたとき、各コリメーターレンズ４１４ａの焦点位置がレーザーダイオードチップ４１２の各発光点４１２ａ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４１４がヒートブロック４１１、４１１’に固定されると、コリメーターレンズ４１４ａ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４１２Ｂを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【０１０４】
なおコリメーターレンズアレイ４１４をヒートブロック４１１、４１１’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４１４の取付端面４１４ｂをヒートブロック４１１、４１１’のレンズ規定面４１１ｂ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４１１、４１１’に図２１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４１４の光軸に平行な面、例えば図２１中の下端面をそのマウント部の上面に固着してもよい。
【０１０５】
ここで本例では、ヒートブロック４１１、４１１’のレンズ規定面４１１ｂ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４１１、４１１’にコリメーターレンズアレイ４１４を固定する際の該アレイ４１４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。
【０１０６】
また、ヒートブロック４１１、４１１’のレーザー固定面４１１ａも前述の通りの高平坦面とされているので、レーザーダイオードチップ４１２をヒートブロック４１１、４１１’に固定する際の該チップ４１２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。
【０１０７】
以上説明したレーザー装置４１０’は図２１に示されている通り、複数のレーザービーム４１２Ｂ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４１０’のヒートブロック４１１はベース板４２１上に固定され、該ベース板４２１上にはさらに集光レンズ４２０を保持する集光レンズホルダ４２２と、マルチモード光ファイバー４３０の入射端部を保持するファイバーホルダ４２３とが固定されている。
【０１０８】
上記の構成において、コリメーターレンズアレイ４１４の各コリメーターレンズ４１４ａによって平行光とされた１０本（上下で合計２０本）のレーザービーム４１２Ｂは、集光レンズ４２０によって集光され、マルチモード光ファイバー４３０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４１２Ｂはマルチモード光ファイバー４３０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４３０から出射する。なおマルチモード光ファイバー４３０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。
【０１０９】
本例において、集光レンズ４２０は幅が６ｍｍ、有効高さが１．８ｍｍ、焦点距離が１４ｍｍのレンズである。またマルチモード光ファイバー４３０はコア径が５０μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２のものである。２０本のレーザービーム４１２Ｂは集光レンズ４２０により集光されて、マルチモード光ファイバー４３０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４１２Ｂ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４１４ａ並びに集光レンズ４２０を透過する際の損失の合計は２０％である。その場合、各レーザービーム４１２Ｂの出力が３０ｍＷであるならば、４８０ｍＷ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。
【０１１０】
なお、上記と同じ構成のレーザーダイオードチップ４１２を１０個並設し、それらを上下に３段積み上げた構成にすれば、７２０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームを得ることができる。
【０１１１】
次に図１２〜１６を参照して、図３〜５に示した紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを利用した画像露光装置について説明する。
【０１１２】
図１２は、この画像露光装置１１０Ａの全体形状を示すものである。図示の通りこの画像露光装置１１０Ａは、複数のレーザービームを生成する光源ユニット１２０と、光源ユニット１２０で生成された複数のレーザービームを集光する露光ヘッド１３０と、露光ヘッド１３０を副走査方向に沿って移動させる露光ヘッド移動部１４０と、画像が記録される記録媒体Ｆが装着されかつ該記録媒体Ｆが主走査方向に移動するように図１２の矢印Ｒ方向に回転駆動されるドラム１５０と、主として光源ユニット１２０の冷却用の風（以下、「冷却風」という。）を生成する冷却用ブロア１６０とを含んで構成されている。
【０１１３】
なお記録媒体Ｆは、ドラム１５０に巻き付けることができる可撓性記録材料であって、具体的には感光もしくは感熱性のフィルム、感光もしくは感熱性の印刷用刷版等である。また、このように記録媒体Ｆをドラム１５０に巻き付ける形態ではなく、ドラム１５０自体が感光もしくは感熱性を有する場合にも、本発明は同様に適用可能である。
【０１１４】
光源ユニット１２０には、図３〜５に示した紫外光高輝度合波ファイバーモジュール（以下、単に合波ファイバーモジュールという）１２１が表面に配置され、裏面に放熱フィン１２３（図１３も参照）が設けられた光源基板１２４と、光源基板１２４の一端部に垂直に取り付けられると共にＳＣ型光コネクタ１２５Ａのアダプタが複数（合波ファイバーモジュール１２１と同数）設けられたアダプタ基板１２５と、光源基板１２４の他端部に水平に取り付けられると共に記録媒体Ｆに記録する画像の画像データに応じて合波ファイバーモジュール１２１を駆動するＬＤドライバー回路１２６（図１５も参照）が設けられたＬＤドライバー基板１２７とが備えられている。
【０１１５】
合波ファイバーモジュール１２１に接続された光ファイバー３０の他端部には各々ＳＣ型光コネクタ１２５Ａのプラグが設けられており、該プラグはアダプタ基板１２５に設けられたアダプタの一方の挿入口に嵌合されている。したがって、各合波ファイバーモジュール１２１から射出されたレーザービームは光ファイバー３０によって、アダプタ基板１２５に設けられているアダプタの略中央位置まで伝送される。
【０１１６】
また、ＬＤドライバー基板１２７に設けられているＬＤドライバー回路１２６における合波ファイバーモジュール１２１の駆動用信号の出力端子は合波ファイバーモジュール１２１に個別に接続されており、各合波ファイバーモジュール１２１は、ＬＤドライバー回路１２６によって各々個別に駆動が制御される。
【０１１７】
一方、露光ヘッド１３０には、上記複数の合波ファイバーモジュール１２１から射出された各レーザービームＢを取りまとめて射出するファイバーアレイ部１３１が備えられている。このファイバーアレイ部１３１には、各々アダプタ基板１２５に設けられた複数のアダプタの他方の挿入口に、一端部に設けられたＳＣ型光コネクタのプラグが嵌合された複数のマルチモード光ファイバー１７０によって、各合波ファイバーモジュール１２１から射出されたレーザービームＢが伝送される。
【０１１８】
図１４には、ファイバーアレイ部１３１を図１２の矢印Ａ方向に見た状態が示されている。同図に示すようにこのファイバーアレイ部１３１は、各々片面に合波ファイバーモジュール１２１の数の半数のＶ字溝が相隣接して設けられた２枚の基台１３１Ａが、上記Ｖ字溝が対向するように配置されると共に、各Ｖ字溝に対して各光ファイバー１７０の他端部が１本ずつ嵌め込まれて構成されている。したがって、ファイバーアレイ部１３１からは、各合波ファイバーモジュール１２１から射出された複数のレーザービームが所定間隔ごとに同時に出射されることになる。
【０１１９】
また、図１２に示すように露光ヘッド１３０には、ファイバーアレイ部１３１側より、コリメータレンズ１３２、開口部材１３３、および結像レンズ１３４が順に配列されている。なお開口部材１３３は、開口部がファイバーアレイ部１３１のレーザービーム出射口からみてファーフィールド（ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ　）の位置となるように配置されている。これによって、ファイバーアレイ部１３１における複数の光ファイバー１７０の出射端から出射された全てのレーザービームＢに対して同等の光量制限効果を与えることができる。
【０１２０】
一方、露光ヘッド移動部１４０には、長手方向が副走査方向に沿うように配置されたボールネジ１４１および２本のレール１４２が備えられており、ボールネジ１４１を回転駆動する副走査モータ１４３（図１５も参照）を作動させることによって、一部がボールネジ１４１に螺合された露光ヘッド１３０を、レール１４２に案内された状態で副走査方向に移動させることができる。
【０１２１】
また、ドラム１５０は主走査モータ１５１（図１５も参照）を作動させることによって図１２の矢印Ｒ方向に回転され、これによって主走査がなされる。
【０１２２】
一方、冷却用ブロア１６０は、図１２および図１３に示すように、該冷却用ブロア１６０によって生成された冷却風の風向きが、光源基板１２４に設けられた放熱フィン１２３および全ての光ファイバー３０の双方に当る方向となるように配置されている。したがって、冷却用ブロア１６０により生成された冷却風によって、各合波ファイバーモジュール１２１の駆動時における温度上昇を抑制することができると共に、各光ファイバー３０を強制的に振動させることができる。
【０１２３】
次に図１５を参照して、この画像露光装置１１０Ａの制御系の構成について説明する。同図に示すように該制御系は、画像データに応じて各合波ファイバーモジュール１２１を駆動するＬＤドライバー回路１２６と、主走査モータ１５１を駆動する主走査モータ駆動回路１８１と、副走査モータ１４３を駆動する副走査モータ駆動回路１８２と、冷却用ブロア１６０を駆動する冷却用ブロア駆動回路１８３と、ＬＤドライバー回路１２６、主走査モータ駆動回路１８１、副走査モータ駆動回路１８２および冷却用ブロア駆動回路１８３を制御する制御回路１８０とを備えている。ここで制御回路１８０には、記録媒体Ｆに記録する画像を示す画像データが供給される。
【０１２４】
次に、以上のように構成された画像露光装置１１０Ａの作用について、図１６に示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお図１６は、画像露光装置１１０Ａによって画像記録を行う際の処理の流れを示すフローチャートである。
【０１２５】
まず、記録媒体Ｆに記録する画像を担持した画像データを、画像記録に際して該画像の画像データを一時的に記憶する不図示の画像メモリから制御回路１８０に転送する（ステップＳ１００）。制御回路１８０は、転送されてきた画像データ、および記録画像の予め定められた解像度を示す解像度データに基づいて調整された信号をＬＤドライバー回路１２６、主走査モータ駆動回路１８１、および副走査モータ駆動回路１８２に供給する。
【０１２６】
次いで制御回路１８０は、冷却用ブロア１６０の駆動を開始するように冷却用ブロア駆動回路１８３を制御する（ステップＳ１０２）。これにより、冷却用ブロア１６０によって生成された冷却風による各合波ファイバーモジュール１２１の冷却動作が開始されると共に、各光ファイバー３０の振動が開始される。
【０１２７】
ここで、各光ファイバー３０の振動を、光ファイバー３０から出射された光の光量変動を１主走査時間の間にランダム化させることができる振動とすることによって、記録媒体Ｆ上に記録される画像のむらを低減することができる。そこで本実施の形態では、このような振動とすることができる風量で、かつ本来の目的である放熱フィン１２３の冷却に必要とされる風量を実験やコンピュータ・シミュレーション等によって予め得ておき、この風量となるように冷却用ブロア駆動回路１８３が冷却用ブロア１６０の駆動を制御している。
【０１２８】
次に主走査モータ駆動回路１８１は、制御回路１８０から供給された信号に基づいて上記解像度データに応じた回転速度でドラム１５０を図１２の矢印Ｒ方向に回転させるように主走査モータ１５１を制御し（ステップＳ１０４）、副走査モータ駆動回路１８２は、上記解像度データに応じて副走査モータ１４３による露光ヘッド１３０の副走査方向に対する送り間隔を設定する（ステップＳ１０６）。
【０１２９】
次にＬＤドライバー回路１２６は、画像データに応じて各合波ファイバーモジュール１２１の駆動を制御する（ステップＳ１０８）。
【０１３０】
各合波ファイバーモジュール１２１から射出されたレーザービームＢは、光ファイバー３０、ＳＣ型光コネクタ１２５Ａ、および光ファイバー１７０を介してファイバーアレイ部１３１から出射され、コリメータレンズ１３２によって平行光束とされた後、開口部材１３３によって光量が制限され、結像レンズ１３４を介してドラム１５０上の記録媒体Ｆに集光される。
【０１３１】
この場合、記録媒体Ｆには、各合波ファイバーモジュール１２１から射出された複数のレーザービームＢに応じて複数のビームスポットが形成される。これらのビームスポットにより、露光ヘッド１３０が上記ステップＳ１０６で設定された送り間隔のピッチで副走査方向に送られると共に、上記ステップＳ１０４により開始されたドラム１５０の回転によって、解像度が上記解像度データによって示される解像度となる２次元画像が記録媒体Ｆ上に露光、記録される（ステップＳ１１０）。
【０１３２】
記録媒体Ｆ上への２次元画像の記録が終了すると、主走査モータ駆動回路１８１は主走査モータ１５１の回転駆動を停止し（ステップＳ１１２）、制御回路１８０は冷却用ブロア１６０の駆動を停止するように冷却用ブロア駆動回路１８３を制御し（ステップＳ１１４）、その後に本処理を終了する。
【０１３３】
本処理によって、記録媒体Ｆへの所定解像度による２次元画像の記録がなされると共に、この画像記録の間には冷却用ブロア１６０が駆動されるので、光ファイバー３０がランダムに振動され、光ファイバー３０を伝搬するレーザービームに対して白色ノイズ的な雑音を重畳させることができ、その結果、記録された２次元画像にｓｗａｔｈむらやビートむら等の画像むらが発生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合波レーザー光源を示す平面図
【図２】上記合波レーザー光源を構成する半導体レーザーの部分を示す正面図
【図３】上記合波レーザー光源を備えた紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを示す平面図
【図４】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの側面図
【図５】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの部分正面図
【図６】上記合波レーザー光源に用いられたコリメーターレンズの側面図（１）と正面図（２）
【図７】上記合波レーザー光源に用いられた集光レンズの側面図（１）と正面図（２）
【図８】上記合波レーザー光源を複数用いる光源装置の斜視図
【図９】本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源を示す平面図
【図１０】上記合波レーザー光源に用いられた半導体レーザーにおける発光点移動量を、従来の半導体レーザーにおける発光点移動量と比較して示すグラフ
【図１１】本発明の第３の実施の形態による合波レーザー光源を示す平面図
【図１２】本発明の一実施の形態による露光装置の斜視図
【図１３】上記露光装置の一部を示す斜視図
【図１４】上記露光装置の一部を示す正面図
【図１５】上記露光装置の電気的構成を示すブロック図
【図１６】上記露光装置における画像露光に関わる処理の流れを示すフローチャート
【図１７】図１の合波レーザー光源に用いられた半導体レーザーの実装構造を示す正面図
【図１８】図１７の構造の一部を示す斜視図
【図１９】図１の合波レーザー光源に用いられた半導体レーザー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２０】図１の合波レーザー光源に用いられた半導体レーザー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２１】本発明の合波レーザー光源に用いられ得るレーザー装置の側面図
【図２２】図２１のレーザー装置の正面図
【図２３】図２１のレーザー装置の平面図
【符号の説明】
９　　サブマウント
１０　　ヒートブロック
１１〜１７　　コリメーターレンズ
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバー
３０ａ　　マルチモード光ファイバーのコア
５０　　コリメーターレンズアレイ
１１０Ａ　　画像露光装置
１２０　　光源ユニット
１２１　　合波ファイバーモジュール
１３０　　露光ヘッド
１４０　　露光ヘッド移動部
１５０　　ドラム
１７０　　マルチモード光ファイバー
２５０　　合波光学系
２５１　　マルチモード光ファイバー
２６１　　マイクロレンズアレイ
２６２　　集光レンズ
２７０　　合波光学系
４１０’　　レーザー装置
４１２　　レーザーダイオードチップ
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
ＬＤ１〜７、ＬＤ１１〜１５、ＬＤ２１〜２８　　ＧａＮ系半導体レーザー
Ｂ１〜７、Ｂ１１〜１５、Ｂ２１〜２８　　レーザービーム
Ｂ、Ｂ１０、Ｂ２０　　合波されたレーザービーム
Ｆ　　記録媒体
Ｈ１１〜１５　　集光レンズ

Claims (18)

  1. 複数の半導体レーザーと、
    １本のマルチモード光ファイバーと、
    前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前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合波レーザー光源において、
    前記半導体レーザーとして、チップ状態のシングルキャビティ窒化物系化合物半導体レーザーが用いられ、
    この半導体レーザー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半導体レーザーが、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を特徴とする合波レーザー光源。
  2. 前記半導体レーザーの発光部の直下において、前記ＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を分割する溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の合波レーザー光源。
  3. 前記サブマウントがＡｌＮからなることを特徴とする請求項１または２記載の合波レーザー光源。
  4. 前記サブマウントが前記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を特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  5. 前記複数の半導体レーザーが、各々の活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設され、
    前記集光光学系が、前記発光点の並び方向の開口径が該方向に直角な方向の開口径よりも小さく形成されて、各半導体レーザー毎に設けられた複数のコリメーターレンズ、およびこれらのコリメーターレンズで平行光化された複数のレーザービームをそれぞれ集光して前記マルチモード光ファイバーの端面で収束させる集光レンズから構成されていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  6. 前記複数のコリメーターレンズが一体化されて、レンズアレイとして構成されていることを特徴とする請求項５記載の合波レーザー光源。
  7. 前記複数の半導体レーザーを実装するブロックが複数に分割され、互いに張り合わせて一体化されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  8. 前記半導体レーザーとしてＧａＮ系半導体レーザーが用いられていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  9. 前記マルチモード光ファイバーとして、コア径が５０μｍ以下で、ＮＡが０．３以下のものが用いられていることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  10. 前記マルチモード光ファイバーとして、コア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものが用いられていることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  11. 前記半導体レーザーが３〜１０個、一列に並べて設けられていることを特徴とする請求項１から１０いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  12. 前記半導体レーザーが６または７個、一列に並べて設けられていることを特徴とする請求項１１記載の合波レーザー光源。
  13. 前記半導体レーザーとして、発光幅が１．５〜５μｍのものが用いられていることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  14. 前記半導体レーザーとして、発光幅が２〜３μｍのものが用いられていることを特徴とする請求項１３記載の合波レーザー光源。
  15. 前記複数の半導体レーザーが、レーザービームの照射を受ける側から見た状態で２次元的に配列固定されていることを特徴とする請求項１から１４いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  16. 前記マルチモード光ファイバーが複数、少なくとも出射端部において１次元アレイ状に配設され、それらのマルチモード光ファイバーの各々に前記複数の半導体レーザーおよび集光光学系が組み合わされていることを特徴とする請求項１から１５いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  17. 前記マルチモード光ファイバーが複数、少なくとも出射端部においてバンドル状に配設され、それらのマルチモード光ファイバーの各々に前記複数の半導体レーザーおよび集光光学系が組み合わされていることを特徴とする請求項１から１５いずれか１項記載の合波レーザー光源。
  18. 請求項１６または１７に記載の合波レーザー光源を露光用光源として備えたことを特徴とする露光装置。
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