JP2007027236A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光源としての半導体レーザと、励起光を集光するレンズと、励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材とを備えるレーザ発振装置において、光軸の調整が必要な部分に関し、従来に比べて部品点数を少なくする。
【解決手段】 励起光源としての半導体レーザ２０と、半導体レーザ２０からの励起光を集光するレンズ３０と、レンズ３０にて集光された励起光を受けてレーザ光Ｌを出射するレーザ発振部材４０とを備えるレーザ発振装置において、半導体レーザ２０、レンズ３０およびレーザ発振部材４０といった光軸の調整が必要な各部材を、同一の絶縁基板１０の一面上に搭載し、絶縁基板１０の一面に、半導体レーザ２０に通電するための基板電極１１を形成するとともに、半導体レーザ２０を、導電性接合部材を介して基板電極１１と接続している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、励起光源としての半導体レーザを有する半導体レーザ励起式のレーザ発振装置に関し、たとえば、自動車に搭載され出射されたレーザ光によりエンジンの点火を行うレーザ点火装置として適用できる。

この種のレーザ発振装置としては、従来より、通電により励起光を発する励起光源としての半導体レーザと、半導体レーザの励起光を集光するレンズと、レンズにて集光された励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材とを備えるものが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

このようなレーザ発振装置では、半導体レーザを励起光源とし、レンズを介してレーザ発振部材へ励起光を入れるようにしているため、長寿命で集光損失が少なく、光変換効率に優れるという利点を持つ。

ここで、従来のレーザ発振装置は、一般に、半導体レーザ、レンズおよびレーザ発振部材といった各部材を別々のプレートに搭載したうえで、これらプレートを定盤に取り付けることにより組み付けられる。このとき、各部材が搭載されたプレート同士を位置あわせすることによって、各部材間の光軸を調整しながら、組付けを行う。
ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ，２００１年，ＮＯ．４，ｐ．１４２−１４９

しかしながら、従来では、半導体レーザ、レンズおよびレーザ発振部材といった光軸の調整が必要な各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤に固定することで、レーザ発振装置の組み付けを行っているため、光軸の調整が必要な部分に関して部品点数が多くなる。

そのため、たとえば、各部材間の光軸調整が複雑になったり、組み付け工数が多くなったり、小型化が困難になるなどの問題が生じやすい。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、励起光源としての半導体レーザと、励起光を集光するレンズと、励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材とを備える半導体レーザ励起式のレーザ発振装置において、光軸の調整が必要な部分に関し、各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤することなく組み付けできるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ（２０）とレンズ（３０）とレーザ発振部材（４０）とを備える半導体レーザ励起式のレーザ発振装置において、半導体レーザ（２０）、レンズ（３０）およびレーザ発振部材（４０）は、同一の絶縁基板（１０）の一面上に搭載されており、絶縁基板（１０）の一面には、半導体レーザ（２０）に通電するための基板電極（１１）が形成されており、半導体レーザ（２０）は、導電性接合部材（５０）を介して基板電極（１１）と接続されていることを第１の特徴とする。

それによれば、絶縁基板（１０）の一面に、半導体レーザ（２０）に通電するための基板電極（１１）を形成し、この基板電極（１１）と半導体レーザ（２０）とを電気的に接続しているため、半導体レーザ（２０）への通電を基板電極（１１）を介して行うことができ、レーザ発振機能は確保される。

また、半導体レーザ（２０）、レンズ（３０）およびレーザ発振部材（４０）といった光軸の調整が必要な各部材が、同一の絶縁基板（１０）の一面上に搭載されているため、これら各部材を別々のプレートに搭載することなく、同一の絶縁基板（１０）上に搭載することで、レーザ発振装置を構成できる。

よって、本発明によれば、励起光源としての半導体レーザ（２０）と、励起光を集光するレンズ（３０）と、励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材（４０）とを備えるレーザ発振装置において、光軸の調整が必要な部分に関し、各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤に別々に固定することなく組み付けることができる。

そのため、たとえば、本発明によれば、光軸の調整が必要な部分に関して部品点数を低減でき、各部材間の光軸調整を簡素化したり、組み付け工数を少なくしたり、小型化を容易することなどが可能になる。

ここで、半導体レーザ（２０）は、通電される一方の極側の部位を絶縁基板（１０）に向けるとともに他方の極側の部位を絶縁基板（１０）の上方に向けた状態で、前記絶縁基板（１０）の一面上に配置されており、半導体レーザ（２０）の一方の極側の部位と基板電極（１１）とは導電性接合部材（５０）により接続されており、半導体レーザ（２０）の他方の極側の部位と基板電極（１１）とは、金属製のプレート（６０）を介して接続されるとともに、半導体レーザ（２０）の他方の極側の部位とプレート（６０）との間、および、プレート（６０）と基板電極（１１）との間は、導電性接合部材（５０）により接続されているものにできる。

また、本発明は、上記第１の特徴を有するレーザ発振装置において、絶縁基板（１０）の他面には、絶縁基板（１０）を介して半導体レーザ（２０）の温度を調節する温調部材（２００、２１０）が設けられており、半導体レーザ（２０）の近傍部には、半導体レーザ（２０）の温度を検出する温度検出部（７０）が設けられており、温度検出部（７０）により検出された前記温度に基づいて温調部材（２００、２１０）を制御することを第２の特徴とする。

それによれば、半導体レーザ（２０）の温度の変動を抑制することができるため、半導体レーザ（２０）から発せられる励起光の温度変化に起因する波長変動を、極力抑制することができる。

また、本発明は、上記第１または第２の特徴を有するレーザ発振装置において、絶縁基板（１０）のうち半導体レーザ（２０）の搭載部とレーザ発振部材（４０）の搭載部との間の部位には、絶縁基板（２０）におけるその他の部位よりも熱伝導率の低い熱抵抗部（８０）が設けられていることを第３の特徴とする。

それによれば、半導体レーザ（２０）とレーザ発振部材（４０）との間の絶縁基板（１０）を介した熱の移動が抑制されるため、絶縁基板（１０）上の各部の温度の安定化を図ることができる。

また、本発明は、上記第１〜第３の特徴を有するレーザ発振装置において、レンズ（３０）およびレーザ発振部材（４０）は、半導体レーザ（２０）を接続する導電性接合部材（５０）と同一の導電性接合部材（５０）により絶縁基板（１０）に接合されていることを第４の特徴とする。

それによれば、半導体レーザ（２０）、レンズ（３０）およびレーザ発振部材（４０）といった各部材を、異なる接合部材を用いることなく、同一の導電性接合部材（５０）により絶縁基板（１０）に接合することができる。

また、本発明は、上記第１〜第４の特徴を有するレーザ発振装置において、同一の絶縁基板（１０）に搭載される半導体レーザ（２０）は、複数個であることを第５の特徴とする。

それによれば、半導体レーザ（２０）が複数個ある場合にも、これら複数個の半導体レーザ（２０）が同一の絶縁基板（１０）上に搭載されているため、複数個の半導体レーザ（２０）を別々のプレートに搭載し、さらに定盤することなく組み付けを行うことができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態にかかる半導体レーザ励起式のレーザ発振装置の要部すなわちレーザ共振器１００を示す概略断面図であり、図２は、このレーザ共振器１００の概略平面図であり、図３は、このレーザ共振器１００における半導体レーザ２０の接続構造を示す部分概略断面図である。また、図４は、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１の各部の結合関係を示すブロック図である。

本レーザ発振装置Ｓ１は、自動車に搭載されて出射されたレーザ光によりエンジンの点火を行うレーザ点火装置として適用されるものである。

図４に示されるように、本レーザ発振装置Ｓ１は、大きくは、点火用のレーザ光を出射するレーザ共振器１００と、このレーザ共振器１００の温度調節を行う温調部材２００、２１０と、制御部３００とを備えて構成されている。

ここで、制御部３００は、自動車のバッテリ５００から電力供給されるとともにエンジンＥＣＵ４００からの信号を受けてレーザ共振器１００および温調部材２００、２１０を制御するもので、回路基板などからなる
レーザ共振器１００および温調部材２００、２１０は一体化されてエンジンルームの適所に搭載され、レーザ共振器１００から出射されるレーザ光は、図示しないエンジンの燃焼室に出射され、当該燃焼室内の混合気に点火するようになっている。

まず、レーザ共振器１００は、図１、図２に示されるように、絶縁基板１０を備えている。この絶縁基板１０は、たとえばアルミナなどのセラミックからなる基板である。絶縁基板１０の一面（図１中の上面）には、半導体レーザ２０と、レンズ３０と、レーザ発振部材４０とが搭載されている。

ここでは、絶縁基板１０の一面上において、基板中央部にレーザ発振部材４０が配置され、その周囲を取り囲むように、複数個（図２に示される例では４個）の半導体レーザ２０およびレンズ３０が配置されている。ここで、各半導体レーザ２０から発せられる励起光がレンズ３０にて集光され、レーザ発振部材４０に入射されるように、これら各部材２０〜４０は光軸調整がなされている。

絶縁基板１０の一面上には、半導体レーザ２０に通電するための基板電極１１が形成されている。ここでは、基板電極１１は、複数個の半導体レーザ２０をつなぐように配置されている。

また、図２に示されるように、基板電極１１は、この基板電極１１と制御部３００を構成する回路基板とを電気的に接続するための端子部１１ａ、１１ｂを有している。そして、この端子部１１ａ、１１ｂと制御部３００とがハンダ、ネジなどにより結線されることにより、制御部３００から基板電極１１を介して半導体レーザ２０に通電できるようになっている（図４参照）。

このような基板電極１１は、絶縁基板１０の一面に対して各種の成膜法によりパターニングされた金属膜である。本例では、基板電極１１は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などの導体ペーストを用いた印刷法により成膜されている。

半導体レーザ２０は、通電により励起光を発する励起光源として構成されるものであるならば、特に限定されるものではないが、本例では、半導体レーザ２０として、励起光の波長が８０８ｎｍであるアルミニウム−ガリウム−ヒ素系のセラミック半導体材料を採用している。

各半導体レーザ２０は、図１、図３に示されるように、導電性接合部材５０を介して、基板電極１１と接続されている。この導電性接合部材５０は、はんだや導電性接着剤などからなるものを採用できるが、本例では、Ａｕ−Ｉｎ（金−インジウム）系の高温はんだを採用している。

ここでは、図１、図３に示されるように、半導体レーザ２０は、通電される一方の極側の部位を絶縁基板１０に向けるとともに他方の極側の部位を絶縁基板１０の上方に向けた状態で、絶縁基板１０の一面上に配置されている。

本例では、半導体レーザ２０は、エミッタを構成するプラス極（＋極）側を図１、図３中の下方すなわち絶縁基板１０側に向けるとともに、マイナス極（−極）側を図１、図３中の上方に向けて配置されている。

そして、半導体レーザ２０におけるプラス極側の部位と基板電極１１とは導電性接合部材５０により接続されており、半導体レーザ２０におけるマイナス極側の部位と基板電極１１とは、金属製のプレート６０を介して接続されている。つまり、本例では、プレート６０は、半導体レーザ２０におけるマイナス極側を基板電極１１に取り出して接続するための取り出し電極として構成されている。

このプレート６０は、たとえばＣｕや真鍮の表面に金メッキを施した金属製の板材からなり、図３に示されるように、半導体レーザ２０におけるマイナス極側の部位から基板電極１１に向かって曲げられた形状となっている。そして、半導体レーザ２０のマイナス極側の部位とプレート６０との間、および、プレート６０と基板電極１１との間は導電性接合部材５０により接続されている。

このように各半導体レーザ２０は、導電性接合部材５０を介して、基板電極１１とプレート６０とにより挟み込まれた状態とすることにより、半導体レーザ２０の両極が基板電極１１に接続されている。

また、図１、図３に示されるように、各半導体レーザ２０を挟み込んでいる基板電極１１とプレート６０との間には、絶縁材６１が介在設定されている。この絶縁材６１は、ポリイミドなどの樹脂フィルムなどからなる。この絶縁材６１をスペーサとして、基板電極１１とプレート６０との間隔が確保されるとともに、これら両者１１、６０間の短絡が防止されるようになっている。

そして、複数個の半導体レーザ２０は、基板電極１１を介して電気的に直列に接続されており、本例では、図２に示される基板電極１１の左側の端子部１１ａをマイナス側、右側の端子部１１ｂをプラス側として、制御部３００から電流が供給されるようになっている（図４参照）。

そして、この電流の供給により、各半導体レーザ２０はレーザ発振部材４０に向けて励起光を発するようになっている。このように、制御部３００によって半導体レーザ２０への電流の供給がなされるが、その作動の詳細については後述する。

ここで、図１、図２に示されるように、絶縁基板１０の一面上にて、各半導体レーザ２０の励起光の出射側、すなわち各半導体レーザ２０とレーザ発振部材４０との間に、半導体レーザ２０の励起光を集光する上記レンズ３０が配置されている。

ここでは、レンズ３０は、半導体レーザ２０を接続する導電性接合部材５０と同一の導電性接合部材５０により絶縁基板１０に接合されている。本例では、レンズ３０としては、半導体レーザの分野で用いられるガラスなどからなるシリンドリカルレンズを採用している。

そして、絶縁基板１０の一面上にて、レンズ３０にて集光される励起光の焦点となる位置には、上記レーザ発振部材４０が設けられている。このレーザ発振部材４０も、半導体レーザ２０を接続する導電性接合部材５０と同一の導電性接合部材５０により絶縁基板１０に接合されている。

このレーザ発振部材４０は、レンズ３０にて集光された励起光を受けてレーザ光Ｌを出射するものである。本例では、レーザ発振部材４０は、図１に示されるように、一対の反射鏡４２、４３の間にレーザ媒質４１を挟んでなる一般的な構成を採用している。

レーザ媒質４１は、励起されることにより光を発するもので半導体レーザ２０からの励起光を受けることにより蛍光を発する。すなわち、このレーザ媒質４１は、レーザ発振部材４０の核となるものである。限定するものではないが、本例では、レーザ媒質４１は、Ｎｄ：ＹＡＧからなるものである。

ここで、一対の反射鏡４２、４３は、レーザ媒質４１の上下端面にコーティングされた膜であり、図１中の下側すなわち絶縁基板１０側の反射鏡４２の方が、図１中の上側すなわち出射側の反射鏡４３よりも反射率が大きいものとなっている。

これら反射鏡４２、４３は、たとえば、ＴａＯ２とＳｉＯ２とを交互に積層してなる多層膜として構成されており、この層の数を変えることにより各反射鏡４２、４３の反射率特性を調整することができる。

本例では、絶縁基板１０の一面に垂直な方向において、このレーザ媒質４１の上下端面が一対の反射鏡４２、４３により挟まれており、絶縁基板１０側の反射鏡４２にて導電性接合部材５０を介して絶縁基板１０の一面に接合されている（図１参照）。

そして、半導体レーザ２０からの励起光は、レンズ３０を介してレーザ媒質４１の側面に入射されるようになっている。レーザ媒質４１に励起光が入射されると、レーザ媒質４１から発せられた光は、レーザ媒質４１内で一対の反射鏡４２、４３の間を共振し、ある一定以上のエネルギーになると、出射側の反射鏡４３を通してレーザ光Ｌが連続的に出射されるようになっている。

ここで、本実施形態のレーザ発振部材４０においては、独自の構成として、図１、図２に示されるように、レーザ媒質４１の周囲に透光性のセラミックからなる透光性部材４４が設けられている。

この透光性部材４４は、レーザ媒質４１からの熱を逃がすためのものであり、本例ではＹＡＧからなる。このような透光性部材４４は、レーザ媒質４１とともに焼結を行うことによりレーザ媒質４１と一体的に形成される。

また、図１に示されるように、半導体レーザ２０の近傍部には、半導体レーザ２０の温度を検出する温度検出部としてのサーミスタ７０が設けられている。このサーミスタ７０は、半導体レーザ２０の近傍に位置する上記プレート６０に形成された穴に挿入されることにより取り付けられているもので、一般的なサーミスタを用いることができる。

そして、図４に示されるように、このサーミスタ７０は、上記制御部３００と電気的に接続されており、サーミスタ７０からの信号が制御部３００に送られることにより、制御部３００にて半導体レーザ２０の温度が測定され求められるようになっている。

なお、図１、図２に示される例では、サーミスタ７０は複数個の半導体レーザ２０のうちの１個に設けられているが、２個以上の半導体レーザ２０について設けられていてもよいし、すべての半導体レーザ２０に設けられていてもよい。

さらに、絶縁基板１０の他面（図１中の下面）には、上記温調部材２００、２１０が設けられており、温調部材２００、２１０はレーザ共振器１００と一体化している。ここでは、温調部材２００、２１０は、絶縁基板１０の他面側にて絶縁基板１０側から第１の温調部材２００、第２の温調部材２１０が順次、配置された形となっている。

本例では、第１の温調部材２００は、板状のペルチエ素子から構成されている。ペルチエ素子は、一般に知られているもので、特に電流を流さないときは、吸熱も発熱もしないが、ある一方向に向かって電流を流すと吸熱し、それとは反対方向に向かって電流を流すと発熱するものである。

この第１の温調部材２００は図示しない配線を有しており、それによって、図４に示されるように制御部３００に電気的に接続されている。そして、制御部３００は、上記した吸熱・発熱のために、第１の温調部材２００に流す電流の向きを変えたり、あるいは当該電流を停止できるようになっている。

たとえば、本例では、板状の第１の温調部材２００の厚み方向において、絶縁基板１０側と第２の温調部材２１０側とにそれぞれ上記図示しない配線を設けることにより、第１の温調部材２００は、その厚み方向に電流が流されるようになっている。

そして、第１の温調部材２００は、制御部３００によって、絶縁基板１０側をプラス極として電流を流すことにより吸熱し、絶縁基板１０側をマイナス極として電流を流すことにより発熱するようになっている。

第２の温調部材２１０は、たとえばアルミニウムやＣｕなどからなるブロック体であり、その内部に冷却水が循環する図示しない流路を備えている。また、この第２の温調部材２１０は、当該冷却水を溜めておくタンク２１１と当該冷却水を循環させるためのポンプ２１２とを備えている。

この第２の温調部材２１０のポンプ２１２は、図４に示されるように、制御部３００に電気的に接続されており、制御部３００からの信号によってＯＮ−ＯＦＦが行われるものである。ポンプ２１２がＯＮ状態となると、第２の温調部材２１０に冷却水が循環し、第２の温調部材２１０は吸熱を行い、ポンプ２１２がＯＦＦ状態となると、冷却水の循環が止まるようになっている。

このように、各温調部材２００、２１０は、上記したように吸熱や発熱を行うことにより、絶縁基板１０上の各部からの放熱を促進したり、あるいは、当該各部を加熱したりすることで、半導体レーザ２０をはじめとするレーザ共振器１００の温度調節を行うようになっている。

なお、これら第１の温調部材２００および第２の温調部材２１０の制御は、サーミスタ７０により検出された半導体レーザ２０の温度に基づいて制御部３００によって行われるが、具体的な説明については後述する（図５、図６参照）。

そして、これら第１および第２の温調部材２００、２１０は、絶縁基板１０の他面と第１の温調部材２００との間、および、第１の温調部材２００と第２の温調部材２１０との間に、熱伝導性を高めるために、図示しない高熱伝導性グリスを介して、ネジ締めなどにより絶縁基板１０に固定されている。なお、これら絶縁基板１０、各温調部材２００、２１０は導電性のはんだや導電性接着剤などにより固定されてもよい。

また、図１、図２に示されるように、本実施形態のレーザ共振器１００においては、絶縁基板１０のうち半導体レーザ２０の搭載部とレーザ発振部材４０の搭載部との間の部位には、絶縁基板１０におけるその他の部位よりも熱伝導率の低い熱抵抗部８０が設けられている。

本例では、この熱抵抗部８０は、絶縁基板１０に対してプレス加工などにより形成され基板厚さ方向に貫通する開口部として構成されている。このような熱抵抗部８０を形成することにより、絶縁基板１０において熱抵抗部８０の部分を通り抜けようとする熱の伝導が阻害され、半導体レーザ２０の搭載部とレーザ発振部材４０の搭載部との間で熱が伝導しにくくなる。

かかる本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１は、たとえば、次のようにして組み付けることができる。基板電極１１が形成された絶縁基板１０の一面に、導電性接合部材５０を介して、半導体レーザ２０、絶縁材６１、プレート６０、レーザ発振部材４０を搭載して接合する。

続いて、絶縁基板１０の他面に第１および第２の温調部材２００、２１０を取り付けた後、基板電極１１の端子部１１ａ、１１ｂ、サーミスタ７０、各温調部材２００、２１０と制御部３００との結線を行う。それにより、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１ができあがる。

次に、主として図１〜図４および図５、図６を参照しながら、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１の作動を説明する。ここで、図５は、制御部３００による温調部材２００、２１０の制御処理を示すフローチャートであり、図６は、サーミスタ７０による半導体レーザ２０の実測温度と目標温度との差ΔＴと第１の温調部材２００に流す電流との関係を示す図である。

レーザ発振動作は、次の通りである。図４に示されるように、自動車のイグニッションがＯＮ状態になると、回路基板からなる制御部３００に、バッテリ４００から電力が供給される。そして、制御部３００は、エンジンＥＣＵ５００から点火信号を受けて、レーザ共振器１００の半導体レーザ２０に対してパルス的な電流を出力する。

この電流が供給された半導体レーザ２０は、上述したように励起光を発し、この励起光はレンズ３０を介してレーザ発振部材４０に入射され、レーザ発振部材４０からレーザ光Ｌが出射される（図１参照）。レーザ共振器１００から出射されたレーザ光Ｌは、図示しないエンジンの燃焼室内へ出射され、当該燃焼室内の混合気を燃焼させる。このようにしてエンジン点火がなされる。

このようなレーザ発振動作において、安定してレーザ発振をさせるには、半導体レーザ２０の励起光の波長の変動幅を小さくする必要があるが、半導体レーザ２０は温度変動により発光波長が変動するため、半導体レーザ２０の温度変動を抑えることが必要になってくる。

本例では、半導体レーザ２０の励起光波長は８０８ｎｍであり、その変動幅を±０．３ｎｍにする必要があるが、この範囲内に波長を制御するには、半導体レーザ２０の温度を所定温度±１℃に制御する必要がある。以下、この±１℃程度の幅を持った所定温度を目標温度Ｔ’ということにする。

半導体レーザ２０がこの目標温度Ｔ’にコントロールされた環境では、半導体レーザ２０に電流を流した瞬間に目標の波長の励起光を出射できるが、目標温度Ｔ’からずれると、出力が低下したり、レーザ発振しないときがある。

そのため、本実施形態では、精度のよいレーザ発振を行うため、半導体レーザ２０の温度を上記目標温度Ｔ’に維持すべく、図５に示されるように、温調部材２００、２１０の制御を行う。

上記レーザ発振動作において、半導体レーザ２０に電流が供給されレーザ発振が開始されると、温調部材２００、２１０の制御がスタートする。

すると、図５に示されるように、ステップ６００において、制御部３００はサーミスタ７０からの信号を取り込み、それによって、半導体レーザ２０の温度Ｔを測定し、求める。以下、この測定された半導体レーザ２０の温度Ｔを実測温度Ｔということにする。

次に、ステップ６０１において、制御部３００は、この半導体レーザ２０の実測温度Ｔと上記目標温度Ｔ’とを比較する。具体的には、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’と同等か、それより上か下かを判定する。

ここで、目標温度Ｔ’は、上記したように、所定温度から±１℃程度の幅を持った値であるため、実測温度Ｔが、この目標温度Ｔ’の幅における最小値以上最大値以内であるときは、Ｔ＝Ｔ’であると判定する。また、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’よりも大きいときは、Ｔ＞Ｔ’と判定し、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’よりも小さいときは、Ｔ＜Ｔ’と判定する。

実測温度Ｔが目標温度Ｔ’と同等であり、Ｔ＝Ｔ’と判定されたとき、ステップ６０２に進み、制御部３００は、第１の温調部材２００をＯＦＦ状態とし、第１の温調部材２００に対して電流を流さないようにする。

実測温度Ｔが目標温度Ｔ’よりも大きくＴ＞Ｔ’と判定されたとき、制御部３００は、実測温度Ｔと目標温度Ｔ’との差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ’）を求め（ステップ６０３）、第１の温調部材２００を冷却モードとなるように制御する（ステップ６０４）。

一方、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’よりも小さくＴ＜Ｔ’と判定されたとき、制御部３００は、実測温度Ｔと目標温度Ｔ’との差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ’）を求め（ステップ６０５）、第１の温調部材２００を加熱モードとなるように制御する（ステップ６０６）。

ここで、サーミスタ７０による半導体レーザ２０の実測温度と目標温度との差ΔＴと第１の温調部材２００に流す電流との関係は、図６に示されるように、Ｔ＞Ｔ’およびＴ＜Ｔ’の各場合において、比例関係にある。この差ΔＴと上記電流との関係は、制御部３００に記憶されている。

そして、図６に示されるように、上記差ΔＴが正であるときは、第１の温調部材２００に流す電流を正の電流Ｉとし、上記差ΔＴが負であるときは、第１の温調部材２００に流す電流を負の電流（−Ｉ）とする。第１の温調部材２００は、正電流の供給により吸熱し、それとは反対向きに流れる負電流の供給により発熱する。

そこで、Ｔ＞Ｔ’の場合には上記求められた差ΔＴは正であり、ステップ６０３、６０４において、制御部３００は、この差ΔＴに対して上記図６の関係における比例定数αを乗じることにより正電流（＝αΔＴ）を求め、これを第１の温調部材２００に対して流す。それにより、第１の温調部材２００は、吸熱状態となって冷却モードとなり、絶縁基板１０を介して半導体レーザ２０を目標温度Ｔ’とするように冷却する。

また、Ｔ＜Ｔ’の場合には上記求められた差ΔＴは負であり、ステップ６０５、６０６において、制御部３００は、この差ΔＴに対して上記図６の関係における比例定数αを乗じることにより負電流（＝α（ΔＴ））を求め、これを第１の温調部材２００に対して方向に流す。それにより、第１の温調部材２００は、発熱して加熱モードとなり、絶縁基板１０を介して半導体レーザ２０を目標温度Ｔ’とするように加熱する。

このようにして、第１の温調部材２００による半導体レーザ２０の温度調節が行われるが、本実施形態では、ステップ６０７に進むことで、第２の温調部材２１０の作動により、さらに安定した温度調節を実現する。

この場合、図５に示されるように、ステップ６０７において、制御部３００は、半導体レーザ２０の実測温度Ｔと上記目標温度Ｔ’とを比較し、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’以上か否かを判定する。

実測温度Ｔが目標温度Ｔ’以上（Ｔ≧Ｔ’）であるとき、ステップ６０８へ進み、制御部３００は、第２の温調部材２１０のポンプ２１２をＯＮ状態とし、第２の温調部材２１０に冷却水を循環させる。それにより、第２の温調部材２１０による冷却が行われ、半導体レーザ２０が冷却される。

一方、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’未満（Ｔ＜Ｔ’）であるとき、ステップ６０９へ進み、制御部３００は、第２の温調部材２１０のポンプ２１２をＯＦＦ状態とし、第２の温調部材２１０の冷却水の循環を停止させる。それにより、第２の温調部材２１０による冷却が停止され、このときは、上記第１の温調部材２００による半導体レーザ２０の加熱が促進される。

ここで、レーザ発振動作中においては発振動作が続くため、半導体レーザ２０がいったん目標温度Ｔ’となれば、ほぼ常時、目標温度Ｔ’よりも半導体レーザ２０の温度が高くなりうる状態にある。そのため、実測温度Ｔが目標温度Ｔ’よりも大きい（Ｔ＞Ｔ’）場合だけでなく、目標温度Ｔ’の範囲内すなわちＴ＝Ｔ’の場合にも、ポンプ２１２を作動させ、第２の温調部材２１０に冷却水を循環させた状態とし、半導体レーザ２０を冷却するようにしている。

そして、このような第１の温調部材２００および第２の温調部材２１０の制御は、レーザ発振動作中において繰り返し行われる。なお、図５では、ステップ６０１〜６０６の第１の温調部材２００の制御を行った後、ステップ６０７〜６０９の第２の温調部材２１０の制御を行っているが、これら両温調部材２００、２１０の制御は、独立した工程として、２つの制御を並列に行ってもよい。

このように、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１においては、温度検出部としてのサーミスタ７０により検出された半導体レーザ２０の実測温度Ｔに基づいて温調部材２００、２１０を制御することにより、半導体レーザ２０の温度を調節し、安定したレーザ発振を可能としている。

ところで、本実施形態によれば、通電により励起光を発する励起光源としての半導体レーザ２０と、半導体レーザ２０の励起光を集光するレンズ３０と、レンズ３０にて集光された励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材４０とを備える半導体励起式のレーザ発振装置において、半導体レーザ２０、レンズ３０およびレーザ発振部材４０は、同一の絶縁基板１０の一面上に搭載されており、絶縁基板１０の一面には、半導体レーザ２０に通電するための基板電極１１が形成されており、半導体レーザ２０は、導電性接合部材５０を介して基板電極１１と接続されていることを特徴とするレーザ発振装置Ｓ１が提供される。

このようなレーザ発振装置Ｓ１は、半導体レーザ２０を励起光源とし、レンズ３０を介してレーザ発振部材４０へ励起光を入れるようにしているため、長寿命で集光損失が少なく、光変換効率に優れるという利点を持つ。

そして、本レーザ発振装置Ｓ１によれば、絶縁基板１０の一面に形成された基板電極１１を介して、半導体レーザ２０への通電を行うことができるため、レーザ発振機能は確保される。

また、本実施形態においては、半導体レーザ２０、レンズ３０およびレーザ発振部材４０といった光軸の調整が必要な各部材を同一の絶縁基板１０上に搭載しているため、従来のように、これら各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤に固定することが不要になる。

そして、本実施形態では、これら各部材２０〜４０の組付については、同一の絶縁基板１０上に搭載すればすむため、従来に比べて部品点数を低減することができる。そのため、これら各部材間の光軸の調整を簡素化することができ、組み付け工程を短縮化することができ、製造コストの低減や装置の小型化などが可能になる。

このように、本実施形態によれば、励起光源としての半導体レーザ２０と、励起光を集光するレンズ３０と、励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材４０とを備えるレーザ発振装置Ｓ１において、光軸の調整が必要な部分に関し、各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤に別々に固定することなく組み付けることができる。

また、光軸の調整が必要な部分に関し、従来に比べて部品点数を少なくできるため、各部材の接合部の数も少なくでき、振動や温度変化などに起因する当該接合部の位置ずれによって、光軸のずれが生じるといった不具合も低減される。

また、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１においては、半導体レーザ２０は、通電される一方の極側の部位を絶縁基板１０に向けるとともに他方の極側の部位を絶縁基板１０の上方に向けた状態で、絶縁基板１０の一面上に配置されており、半導体レーザ２０の一方の極側の部位と基板電極１１とは導電性接合部材５０により接続されており、半導体レーザ２０の他方の極側の部位と基板電極１１とは、金属製のプレート６０を介して接続されるとともに、半導体レーザ２０の他方の極側の部位とプレート６０との間、および、プレート６０と基板電極１１との間は、導電性接合部材５０により接続されている。

それによれば、半導体レーザ２０の一方の極側の部位は、導電性接合部材５０を介して基板電極１１に接合されることで、絶縁基板１０に安定に支持される。また、半導体レーザ２０の他方の極側の部位は、金属製のプレート６０および導電性接合部材５０を介して基板電極１１に接合されることで、絶縁基板１０に安定に支持される。

また、半導体レーザ２０においては、一方の極側の部位から導電性接合部材５０、基板電極１１を介して絶縁基板１０への放熱がなされるだけでなく、他方の極側にプレート６０を介在させることにより、一方の極側だけでなく他方の極側からも絶縁基板１０を介した放熱が可能になる。

また、複数個の半導体レーザ２０を繋ぐ配線としての基板電極１１が、絶縁基板１０に密着したものとなっており、空中に浮遊している部分が無いので耐振動性が高い。また、小型化もできる。さらに、配線距離を短縮できるので、配線抵抗によるジュール熱を低減できる。

また、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１においては、絶縁基板１０の他面には、絶縁基板１０を介して半導体レーザ２０の温度を調節する温調部材２００、２１０が設けられており、半導体レーザ２０の近傍部には、半導体レーザ２０の温度を検出する温度検出部としてのサーミスタ７０が設けられており、このサーミスタ７０により検出された半導体レーザ２０の温度に基づいて温調部材２００、２１０を制御するようにしている。

それによれば、上記図５を参照して述べたように、半導体レーザ２０の温度の変動を抑制し、目標温度Ｔ’に維持することができるため、半導体レーザ２０から発せられる励起光の波長変動を極力抑制できる。また、装置の立ち上がり時には、半導体レーザ２０を加熱して早期に目標温度Ｔ’とすることができるため、起動性に優れる。

また、本実施形態では、半導体レーザ２０、レンズ３０およびレーザ発振部材４０といった各部材を同一の絶縁基板１０の一面上に搭載しているため、この絶縁基板１０の他面側に温調部材２００、２１０を設けるだけで、各部材の温度調節を一括して行うことができる。

従来では、上述したように、各部材を別々のプレートに搭載し、さらに定盤に固定していたため、各部材毎に冷却部材を取り付けるなど、温度調節に関して複雑な構成となっていたが、本実施形態によれば、温度調節に関する構成を簡素化できる。

また、本実施形態のレーザ発振装置Ｓ１においては、絶縁基板１０のうち半導体レーザ２０の搭載部とレーザ発振部材４０の搭載部との間の部位には、絶縁基板２０におけるその他の部位よりも熱伝導率の低い熱抵抗部８０が設けられている。

それによれば、半導体レーザ２０とレーザ発振部材４０との間の絶縁基板１０を介した熱の移動が抑制される。具体的には、半導体レーザ２０からレーザ発振部材４０側に直接流入する熱を遮断して絶縁基板１０からの放熱を促進することができる。

そのため、各部の温度の安定化を図ることができ、絶縁基板１０の温度分布を均一にすることができる。その結果、絶縁基板１０の変形に伴うアラインメントの変化、絶縁基板１０の一面、他面に設けられた各部材との接合状態の変化を抑制できる。

また、本実施形態においては、レンズ３０およびレーザ発振部材４０は、複数個の半導体レーザ２０を接続する導電性接合部材５０と同一の導電性接合部材５０により絶縁基板１０に接合されている。

それによれば、複数個の半導体レーザ２０、レンズ３０およびレーザ発振部材４０を、同一の導電性接合部材５０により絶縁基板１０に接合することができるため、これら各部材の接合工程の簡素化、コストの低減などが期待できる。

また、本実施形態では、半導体レーザ２０は複数個であるが、これら複数個の半導体レーザ２０が同一の絶縁基板１０上に搭載されているため、複数個の半導体レーザ２０を別々のプレートに搭載し、さらに定盤することなく組み付けを行うことができる。

ここで、図７（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における絶縁基板１０の変形例を示す概略断面図であり、熱抵抗部８０の変形例を示すものである。上記図１に示される例では、絶縁基板１０の熱抵抗部８０は、絶縁基板１０を貫通した開口部として構成されたものであった。

それ以外にも、本実施形態では、熱抵抗部８０としては、図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、開口部にさらに樹脂などからなる断熱材８１を充填したものや、凹部すなわちザグリとして構成されたものを採用することもできる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態に述べた半導体レーザ２０、レンズ３０、レーザ発振部材４０の材質や構成は、あくまでも一実施形態であり、上述のものに限定されない。

たとえば、上記図１に示されるレーザ発振部材４０は連続的にレーザ発振が行われるものであったが、このレーザ発振部材４０において、レーザ媒質４１と出射側の反射鏡４３との間に、Ｃｒ：ＹＡＧなどからなる可飽和吸収体を介在させてもよい。この場合、可飽和吸収体は受動Ｑスイッチ素子として機能し、それにより、パルス的なレーザ発振が可能となる。

また、上記実施形態では、レーザ共振器１００において、半導体レーザ２０は複数個であったが、レーザ発振部材４０を励起させレーザ発振が適切に行われるならば、半導体レーザ２０は１個でもあってもよい。

また、半導体レーザ２０からの励起光がレンズ３０を介してレーザ発振部材４０に入射されレーザ発振が適切に行われるならば、絶縁基板１０の一面上におけるこれら各部材２０〜４０の位置関係は、上記図示例に限定されない。

また、上記実施形態では、半導体レーザ２０、レンズ３０、レーザ発振部材４０は同一の導電性接合部材で接合されていたが、レンズ３０およびレーザ発振部材４０は導電性接合部材５０とは異なる接合方法で、絶縁基板１０に固定されていてもよい。たとえば、レンズ３０およびレーザ発振部材４０は、上記導電性接合部材５０とは異なるはんだや接着剤、あるいはネジ締めなどにより接合されてもよい。

また、温調部材２００、２１０および温度検出部７０も上記したものに限定されるものではなく、それぞれ絶縁基板１０の他面、半導体レーザ２０の温度検出可能な近傍部に取り付けることができるものであればよく、温度検出部により検出された半導体レーザの温度に基づいて温調部材を制御することで半導体レーザ２０の温度を調節できるようになっていればよい。

また、たとえば、絶縁基板１０の材質や形状などによっては、熱抵抗部８０が無くても、半導体レーザ２０とレーザ発振部材４０との間の絶縁基板１０を介した熱の移動が抑制できるような場合などは、絶縁基板１０には、熱抵抗部８０が無くてもよい。

さらに、上記実施形態では、絶縁基板１０と板状のペルチエ素子からなる第１の温調部材２００とが別体であったが、絶縁基板そのものを板状のペルチエ素子により構成してもよい。

また、本発明のレーザ発振装置の用途は、上記したような自動車に搭載されエンジン点火装置以外のものであってもよい。

要するに、本発明は、励起光源としての半導体レーザと、励起光を集光するレンズと、励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材とを備える半導体レーザ励起式のレーザ発振装置において、半導体レーザ、レンズおよびレーザ発振部材といった光軸の調整が必要な各部材を、同一の絶縁基板の一面上に搭載し、絶縁基板の一面に、半導体レーザに通電するための基板電極を形成するとともに、半導体レーザを、導電性接合部材を介して基板電極と接続したことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態にかかるレーザ発振装置の要部であるレーザ共振器を示す概略断面図である。 図１に示されるレーザ共振器の概略平面図である。 図１に示されるレーザ共振器における半導体レーザの接続構造を示す部分概略断面図である。 上記実施形態のレーザ発振装置の各部の結合関係を示すブロック図である。 制御部による温調部材の制御処理を示すフローチャートである。 半導体レーザの実測温度と目標温度との差ΔＴと、第１の温調部材に流す電流との関係を示す図である。 上記実施形態における絶縁基板の変形例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…絶縁基板、１１…基板電極、２０…半導体レーザ、３０…レンズ、
４０…レーザ発振部材、５０…導電性接合部材、６０…プレート、
７０…温度検出部としてのサーミスタ、２００…第１の温調部材、
２１０…第２の温調部材。

Claims (6)

1. 通電により励起光を発する励起光源としての半導体レーザ（２０）と、前記半導体レーザ（２０）の励起光を集光するレンズ（３０）と、前記レンズ（３０）にて集光された励起光を受けてレーザ光を出射するレーザ発振部材（４０）とを備えるレーザ発振装置において、
   前記半導体レーザ（２０）、前記レンズ（３０）および前記レーザ発振部材（４０）は、同一の絶縁基板（１０）の一面上に搭載されており、
   前記絶縁基板（１０）の一面には、前記半導体レーザ（２０）に通電するための基板電極（１１）が形成されており、
   前記半導体レーザ（２０）は、導電性接合部材（５０）を介して前記基板電極（１１）と接続されていることを特徴とするレーザ発振装置。
2. 前記半導体レーザ（２０）は、通電される一方の極側の部位を前記絶縁基板（１０）に向けるとともに他方の極側の部位を前記絶縁基板（１０）の上方に向けた状態で、前記絶縁基板（１０）の一面上に配置されており、
   前記半導体レーザ（２０）の前記一方の極側の部位と前記基板電極（１１）とは前記導電性接合部材（５０）により接続されており、
   前記半導体レーザ（２０）の前記他方の極側の部位と前記基板電極（１１）とは、金属製のプレート（６０）を介して接続されるとともに、前記半導体レーザ（２０）の前記他方の極側の部位と前記プレート（６０）との間、および、前記プレート（６０）と前記基板電極（１１）との間は、前記導電性接合部材（５０）により接続されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記絶縁基板（１０）の他面には、前記絶縁基板（１０）を介して前記半導体レーザ（２０）の温度を調節する温調部材（２００、２１０）が設けられており、
   前記半導体レーザ（２０）の近傍部には、前記半導体レーザ（２０）の温度を検出する温度検出部（７０）が設けられており、
   前記温度検出部（７０）により検出された前記温度に基づいて前記温調部材（２００、２１０）を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記絶縁基板（１０）のうち前記半導体レーザ（２０）の搭載部と前記レーザ発振部材（４０）の搭載部との間の部位には、前記絶縁基板（２０）におけるその他の部位よりも熱伝導率の低い熱抵抗部（８０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ発振装置。
5. 前記レンズ（３０）および前記レーザ発振部材（４０）は、前記半導体レーザ（２０）を接続する前記導電性接合部材（５０）と同一の導電性接合部材（５０）により前記絶縁基板（１０）に接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のレーザ発振装置。
6. 前記同一の絶縁基板（１０）に搭載される前記半導体レーザ（２０）は複数個であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のレーザ発振装置。
   

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