JP2005057020A

JP2005057020A - レーザ光源装置

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Publication number: JP2005057020A
Application number: JP2003285470A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oyu; 孝寛大湯
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP4470414B2

Abstract

【課題】レーザ光の方向を変えるための光学素子を設ける必要なく、光源装置から出射するレーザ光の出射方向を容易に制御でき、例えば水平方向と一致させることができる、また半導体レーザから出射したレーザ光が光学素子で反射して半導体レーザに戻ることを防ぐことが可能なレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザとレンズとウェッジ型の光学素子とを有し、該半導体レーザから出射されたレーザ光が、前記レンズとウェッジ型の光学素子とを順に通過して外部に出射されるレーザ光源装置であって、前記半導体レーザは、前記レンズの中心軸からずれて設置され、さらに外部に出射されるレーザ光は、前記レンズの中心軸と平行な方向に出射されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光が出射される光源装置であって、特に装置から出射されるレーザ光の出射方向が制御可能なレーザ光源装置に関する。

従来のレーザ光源装置は、半導体レーザから出射されたレーザ光は、いくつかの光学素子を通過して装置から出射される。光学素子としては、コリメータレンズを用いることで、半導体レーザから出射されたレーザ光を平行光とする。またアナモルフィックプリズムを用いることで、レーザ光のＸ方向とＹ方向との比を調整する。さらにビームスプリッターを用いることで、半導体レーザから出射されたレーザ光を分岐し、一部を受光素子に入射させたり、照射物で一部反射した光が半導体レーザに戻らないようにする。これらを備えたレーザ光源装置としては、たとえば特許文献１に示す光ヘッド装置など種々の用途に用いられている。

特開昭６３−５２３４１号公報（図１）。

このようなレーザ光源装置は、特許文献１にも示されているように、半導体レーザからのレーザ光はコリメータレンズに垂直に入射され、コリメータレンズを通過したレーザ光はビームスプリッターで一部が分岐されて外部に出射される。

しかしながら、このような従来のレーザ光源装置は、レーザ光がレンズに入射する際、またレンズから出射する際に、レーザ光は反射され、戻り光となって、半導体レーザに進んでしまう。このような戻り光はレーザ光源装置から出射されたレーザ光の出力の不安定や波長スペクトラムの乱れなどの現象を引き起こす。

また、ビームスプリッターとしては、干渉によるレーザ光の特性の乱れを防ぐなどの利点を有するウェッジ型のビームスプリッターがよく用いられる。ウェッジ型とは、入射する面と出射する面とが非平行な二面を有する光学素子であって、レーザ光が入射する方向に対し、異なる方向に出射される。このように入射する方向と異なる方向にレーザ光が出射されてしまう光学素子を用いると、出射方向が要求されるレーザ光源装置には扱いにくく、その場合さらにミラーなどの別の光学素子を用いて方向を変える必要がある。例えばレーザ光がコリメータレンズ等のレンズに垂直に入射されるレーザ光源装置において、レンズの中心軸が水平方向となるようにレンズを設置し、レーザ光源装置から外部に出射されるレーザ光を水平方向としたい場合は、ウェッジ型のビームスプリッターを通過したレーザ光をさらにミラーによって、方向を水平方向に変える必要がある。

そこで本発明のレーザ光源装置は、次の（１）から（５）を特徴とする。

（１）半導体レーザとレンズとウェッジ型の光学素子とを有し、
該半導体レーザから出射されたレーザ光が、前記レンズとウェッジ型の光学素子とを順に通過して外部に出射されるレーザ光源装置であって、
前記半導体レーザは、前記レンズの中心軸からずれて設置され、
さらに外部に出射されるレーザ光は、前記レンズの中心軸と平行な方向に出射されることを特徴とするレーザ光源装置。

（２）前記ウェッジ型の光学素子は、ビームスプリッターであることを特徴とする前記（１）に記載のレーザ光源装置。

（３）前記レンズはコリメータレンズであることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のレーザ光源装置。

（４）前記レンズとウェッジ型の光学素子との間にアナモルフィックプリズムを有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のレーザ光源装置。

（５）前記半導体レーザは、前記レンズの中心軸を垂線とする平面を平行移動して設置されてなることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載のレーザ光源装置。

本発明によると、レーザ光の方向を変えるための光学素子を設ける必要なく、光源装置から出射するレーザ光の出射方向を容易に制御でき、例えば水平方向と一致させることができる。また半導体レーザから出射したレーザ光が光学素子で反射して半導体レーザに戻ることを防ぐことが可能となる。

次に図を用いて本発明のレーザ光源装置を詳細に説明する。

図１は、本発明のレーザ光源装置の一実施の形態を示す一実施例である。図１のように、レーザ光源装置１００には、半導体レーザ１０と、コリメータレンズ１１と、ウェッジ型のビームスプリッター１２が備えられ、半導体レーザから出射してレーザ光源装置から外部に出射されるレーザ光は、軌跡Ａとなる。レーザ光はＬＥＤ光ほどではないが、若干の広がり角を有するので、この軌跡はレーザ光のもっとも光強度の大きい位置の集合を示すものとする。

まず半導体レーザは、前記レンズの中心軸Ｂからずれて設置されている。半導体レーザ１０から出射されるレーザ光Ａ１は、レンズに入射もしくはレンズから出射される際、一部が反射されるが、図２に示すように、レンズの中心軸からずれた軌跡をたどるため、反射したレーザ光の軌跡は半導体レーザには戻らない。

レンズ１１は好ましくはコリメータレンズが用いられ、レーザ光がコリメータレンズを通過することで、平行光もしくは集光された光となる。レンズ１１を通過したレーザ光Ａ２は、次にウェッジ型のビームスプリッター１２に入射する。このビームスプリッター１２はウェッジ形状であるため、レーザ光は入射した方向と異なる方向に出射される。

さらにビームスプリッターを通過したレーザ光Ａ３はレーザ光源装置の外部に出射される。ここでレンズの中心軸からずらして半導体レーザを設置することで、外部に出射されるレーザ光Ａ４を容易に調整することができる。半導体レーザ１０を設置する際、レンズの中心軸に対するずれを調整することで、外部に出射されるレーザ光Ａ４の方向が決まる。ウェッジ型の光学素子とは、一般にくさび型の光学素子と称される場合もあり、入射する面と出射する面とが非平行となる二面を有する光学素子をさす。例えばビームスプリッターをウェッジ型の光学素子とする場合、二面が平行でないために、ビームスプリッターでの入射角度と出射角度は異なるものとなる。

さらにこのレーザ光源装置１００から外部に出射されるレーザ光Ａ４を、レンズの中心軸と平行となるように、半導体レーザのレンズの中心軸からのずれを調整することで、半導体レーザに戻り光がなく、そしてレンズの中心軸を基準とすることで再現性よく半導体レーザ光源装置１００を作成することができる。

さらにこのレンズ１１は中心軸が水平となるように設置することで、装置の接地面に水平な方向にレーザ光が出射されるレーザ光源装置となるため好ましい。

さらに本発明のレーザ光源装置は、以下の（ｉ）〜（ｖ）とすることで、またこれらを組み合わせることで、最良のレーザ光源装置を得ることができる。

（ｉ）半導体レーザ１０
本発明の半導体レーザ１０は、さらにレンズ１１の中心軸を垂線とする平面を平行移動して設置することが好ましい。この場合、半導体レーザから出射されるレーザ光が、レンズの入射面と出射面の両方を通過する範囲で平行移動させる。平行移動させて設置することで、半導体レーザを水平から傾斜させて設置するよりも再現性よく、レーザ光源装置から外部に出射されるレーザ光の出射方向を制御することができる。

さらに好ましくは、半導体レーザからのレーザ光Ａ１がレンズを通過する際に、波面収差の小さい範囲とすることが好ましく、例えば７０ｍλ以下とすることで、回折限界以下の小さいスポットを得ることができる。この波面収差が大きいとレーザ光をレンズ等でしぼる際に、回折限界以下の小さいスポットにすることが困難になるので波面収差は小さい方が好ましい。

さらに半導体レーザ１０は、ステム上に半導体素子が設置され、キャップを被せて窒素や酸素で気密封止された半導体レーザを用いることが好ましい。このような半導体レーザを用いることで、交換性が容易となり、また半導体レーザ毎にレーザ出射方向が異なる制御性の困難な半導体レーザを実装する場合に、半導体レーザを平行移動しやすく好ましい。

また半導体素子は、ＧａＡｓ系の半導体層が積層された素子、ＧａＰ系の半導体が積層された素子、さらにはＧａＮ系の半導体層が積層された素子などを用いることができる。ＧａＮ系の半導体層が積層された素子は少なくともＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）層を含む単一量子井戸か多重量子井戸の活性層からなり、ｎ型、ｐ型それぞれの導電型の、Ａｌ_ＹＩｎ_ＺＧａ_{１−Ｙ−Ｚ}Ｎ（０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ≦１）層からなるクラッド層や光ガイド層で活性層を閉じ込める構造とすることが好ましい。

（ｉｉ）アナモルフィックプリズム１３
本発明のレーザ光源装置１００は、アナモルフィックプリズム１３を設けてもよい。好ましくは、コリメータレンズ１１とウェッジ型のビームスプリッター１２との間に設ける。アナモルフィックプリズム１３は、上面から見ると図３に示されるように、２つのプリズムからなり、それぞれで半導体レーザ１０の半導体素子端面から出されるレーザ光Ａ１の遠視野像におけるＸ方向とＹ方向を整形することができる。このアナモルフィックプリズム１３は、レンズの中心軸を半導体レーザからのレーザ光が通る場合に、それぞれのプリズムが、レーザ光が垂直に入射する面を有するように設置することが好ましい。このように設置すれば、アナモルフィックプリズム１３を再現性よく設置できるだけでなく、アナモルフィックプリズムで反射したレーザ光が半導体レーザに戻ることがないので好ましい。従来のように、レンズの中心軸に半導体レーザを設置し、中心軸を通るレーザ光を出射させた場合、アナモルフィックプリズムにおいては、レーザ光が垂直に当たる面を有し、その面でレーザ光は反射し、戻り光となって、半導体レーザに入射してしまう。本発明のアナモルフィックプリズムは上記のように設置することで、レーザ光の軌跡Ａはアナモルフィックプリズム１３のいずれの面にも垂直に入射しないために、反射による戻り光がないので好ましい。

（ｉｉｉ）ウェッジ型のビームスプリッター１２
本発明のウェッジ型のビームスプリッター１２は、レーザ光のうち、Ｓ偏光とＰ偏光のどちらの光を分岐してもよいが、Ｐ偏光を分岐することで、外部に出射されるレーザ光の出力を大きくすることができ、Ｓ偏光を分岐することで、受光素子に向かうレーザ光が強くなり、精度よくＡＰＣ駆動することができる。

（ｉｖ）レーザ光源装置１００
本発明のレーザ光源装置１００は、ＣｕやＡｌなどの放熱性のよい平板１０１上に半導体レーザ１０とそれぞれの光学素子を設置することで、半導体レーザからの放熱、さらには光学素子がレーザ光によって加熱されても、平板に向かって好適に放熱されるので、高出力や長時間半導体レーザを発振させても出射されるレーザ光は一定で、さらに長寿命なレーザ光源装置とすることができる。

さらにレンズの中心軸Ｂを平板１０１に対して平行になるようにレンズ１１を設置することで、レーザ光源装置から出射されるレーザ光が平板と平行な方向に出射されるので、平板を接地面とすれば、汎用性に優れたレーザ光源装置となるので好ましい。

（ｖ）半導体レーザおよび光学素子の固定方法
本発明のレーザ光源装置は、平板上にコリメータレンズやウェッジ型のビームスプリッターが少なくとも設置されてなる。このようにコリメータレンズやビームスプリッター、さらにはアナモルフィックプリズムや、その他の光学素子の平板への固定は、接着剤による固定、ねじなどその他の別の固定手段を設けて固定することができるが、好ましくは光硬化型の接着剤で固定されていることが好ましく、さらには半導体レーザ自身の発振波長で光硬化する接着剤を用いることが好ましい。このような接着剤を用いることで、装置からのレーザ光を、レンズの中心軸と平行な方向に出射されるように、半導体レーザを発振させながら位置調整することで、光学素子が平板に固定される。このとき、半導体レーザからの出力を閾値以下のＬＥＤ光程度で動作し、光学素子を仮接着し、仮接着の段階で光学素子を微調整すると共に、半導体レーザを位置調整する。それぞれが調整されたら半導体レーザを閾値以上で発振させ、光学素子を本接着するという、二段階で光学素子を接着する方法をとることができる。これにより光学素子、半導体レーザをもっとも精度よく固定、設置することが可能となる。また、場合によっては、半導体レーザ自身の発振波長で仮接着され、半導体レーザと光学素子の位置調整ができたら、外部からの光によって本接着されるような接着剤を用いてもよい。

以上のように本発明のレーザ光源装置の好ましい形態を説明したが、これに限るものではない。例えば、その他のシリンドリカルレンズなど種々の機能を有するレンズ類、波長板や偏光プリズムなどの偏光素子、非線形光学結晶などの光学素子が設けられていてもよく、また半導体レーザから放出される熱を好適に放熱できる冷却手段が設けられていてもよい。またその他、回路基板や外部からの光を遮断する遮蔽板、電源装置などが設けられていてもよい。さらに、アナモルフィックプリズムやその他の光学素子に無反射コーティング（ＡＲコーティング）が形成されていてもよいが、本発明では戻り光が半導体レーザに戻ることはないので必要な構成とはしない。無反射コーティングを形成しないことで、コストダウンが計れる。

本発明でいう再現性がよいとは、複数のレーザ光源装置を作成したときに同等の特性が得られることをいうものとする。また、本発明で用いる水平方向は誤差の範囲でずれることもあり、レーザ光源装置の接地面を基準として、接地面に対して平行な方向を水平方向と同じ扱いとするものとする。

次に実施例を説明する。
［実施例１］
図１に示すように、平板１０１上にコリメータレンズ１１をレンズの中心軸Ｂが水平方向と一致するように設置する。次にアナモルフィックプリズム１３とウェッジ型のビームスプリッター１２を設置し、これらをレンズにおいて、レンズの中心軸Ｂを半導体レーザ１０から出射されるレーザ光Ａ１が通過するような位置で固定する。まずレンズの中心軸Ｂをレーザ光Ａ１が通るように半導体レーザ１０を設置し、半導体レーザを発振させる。このとき、ビームスプリッター１２から出射され、レーザ光源装置１００から出射されるレーザ光Ａ４は水平と異なる方向出射される。そして、半導体レーザ１０をコリメートレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上を平行移動Ｃさせ、ビームスプリッター１２から出射されるレーザ光Ａ３が水平となるように調整する。ビームスプリッターからのレーザ光Ａ３が水平となる位置で半導体レーザ１０を固定すれば、水平方向に出射されるレーザ光源装置１００を得ることができる。

具体的には、例えばビームスプリッター１２から出射されるレーザ光Ａ３が水平方向に対し、垂直な方向に角度を有して出射される場合、半導体レーザ１０はコリメータレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上において、鉛直方向に平行移動して調整すればよく、逆にビームスプリッター１２から出射されるレーザ光Ａ３が水平方向に対し、平行な方向に角度を有して出射される場合、半導体レーザ１０はコリメータレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上に置いて、水平方向に平行移動して調整すればよい。

［比較例］
実施例１の比較例として、図４に示すように、半導体レーザ１０から出射されたレーザ光Ａ１’が、レンズの中心軸Ｂ上を通るように半導体レーザ１０を設置する他は、実施例１と同様に光学素子を設置する。半導体レーザから出射されたレーザ光Ａ１’は、コリメータレンズ１１で反射され、半導体レーザ１０へ戻り光となり入射してしまう。またレーザ光は、アナモルフィックプリズム１３とウェッジ型のビームスプリッター１２を通過するが、ビームスプリッターから出射されたレーザ光Ａ３は、水平と異なる方向に出射されてしまう。レーザ光源装置１００を水平面に設置したときに、装置から出射されるレーザ光Ａ４は、水平方向と一致しない。

［実施例２］
実施例１であって、ビームスプリッター１２をレーザ光のＳ偏光が分岐するように設置する。このとき半導体レーザ１０はコリメータレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上において、鉛直方向に平行移動して調整することで、水平方向に出射されるレーザ光源装置１００を得ることができる。

［実施例３］
実施例１であって、光学素子として用いるコリメータレンズ１１、ビームスプリッター１２、アナモルフィックプリズム１３の少なくとも１つ、好ましくはすべてを半導体レーザ１０の発振波長で光硬化する接着剤を用いて平板１０１上に設置する。

半導体レーザ１０を発振させながら、コリメートレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上を平行移動させる。そしてビームスプリッター１２から出射されるレーザ光Ａ３が水平となる位置で半導体レーザ１０を固定する。ビームスプリッター１２からのレーザ光Ａ３が水平となる位置で半導体レーザ１０を固定すれば、水平方向に出射されるレーザ光源装置１００を得ることができる。この実施例では、光学素子はレーザ光によって硬化される。これにより、水平方向に出射されるレーザ光源装置１００を得ることができる。

［実施例４］
実施例１であって、光学素子として用いるコリメータレンズ１１、ビームスプリッター１２、アナモルフィックプリズム１３の少なくとも１つ、好ましくは全てを半導体レーザ１０の発振波長で光硬化する接着剤を用いて平板１０１上に設置する。

半導体レーザ１０を閾値以下のＬＥＤ光程度で動作させる。この半導体レーザ１０をコリメートレンズの中心軸Ｂを垂線とする平面上を平行移動させ、ビームスプリッターから出射されるＬＥＤ光Ａ３の主ピークが水平となる位置で半導体レーザ１０を固定する。このとき光学素子は仮接着されており、微調整することができる。そして半導体レーザと光学素子が好ましい位置で調整されたら、半導体レーザ１０を閾値以上でレーザ発振させて、光学素子を本接着させる。これにより水平方向に出射されるレーザ光源装置１００を得ることができる。

本発明のレーザ光源装置は、整形されたレーザ光が出射されるレーザ光源装置として、汎用性は多大であり、例えば、印刷やバイオテクノロジーなどの分野で広く用いられることが可能となり、産業上の利用可能性は非常に高い。

本発明のレーザ光源装置の一実施の形態を模式的に示す図である。本発明のレーザ光源装置の一実施の形態を説明する図である。本発明のレーザ光源装置の一実施の形態を説明する図である。本発明のレーザ光源装置に対する比較例を模式的に示す図である。

符号の説明

１０・・・半導体レーザ、
１１・・・コリメータレンズ、
１２・・・ウェッジ型のビームスプリッター、
１３・・・アナモルフィックプリズム、
１００・・・レーザ光源装置、
１０１・・・平板。

Claims

半導体レーザとレンズとウェッジ型の光学素子とを有し、
該半導体レーザから出射されたレーザ光が、前記レンズとウェッジ型の光学素子とを順に通過して外部に出射されるレーザ光源装置であって、
前記半導体レーザは、前記レンズの中心軸からずれて設置され、
さらに外部に出射されるレーザ光は、前記レンズの中心軸と平行な方向に出射されることを特徴とするレーザ光源装置。
前記ウェッジ型の光学素子は、ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
前記レンズはコリメータレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源装置。
前記レンズとウェッジ型の光学素子との間にアナモルフィックプリズムを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ光源装置。
前記半導体レーザは、前記レンズの中心軸を垂線とする平面を平行移動して設置されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ光源装置。