JP2007047574A

JP2007047574A - 半導体レーザ光源装置

Info

Publication number: JP2007047574A
Application number: JP2005233305A
Authority: JP
Inventors: Yoji Nishimoto; 陽二西本
Original assignee: Noritsu Koki Co Ltd
Current assignee: Noritsu Koki Co Ltd
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】
温度変化に対する適応性に優れ、安定したレーザ出力を供給できるとともに歩留まりの向上を図ることができる半導体レーザ光源装置を提供する。
【解決手段】
半導体レーザ素子から得られるレーザ光を所定の波長に変換して出力する光導波路型の波長変換素子４１と、この波長変換素子４１を保持する保持部材３３とを有する波長変換部４を備え、入射レーザ光の強度を調節するとともに入射角度の誤差が±０．５°以内である音響光学式変調器に波長変換部４において変換されたレーザ光を入射させる半導体レーザ光源装置において、波長変換素子４１と保持部材３３との線膨張係数の差の絶対値を０．０８×１０^−５／Ｋ以下とした。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体レーザ素子から得られるレーザ光を所定の波長に変換して出力する光導波路型の波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部材とを有する波長変換部を備え、入射レーザ光の強度を調節するとともに入射角度の誤差が±０．５°以内である音響光学式変調器に前記波長変換部において変換されたレーザ光を入射させる半導体レーザ光源装置に関する。

従来、半導体レーザ光源装置として、近赤外線からなるレーザ光を基本波として発振する半導体レーザ素子と、この基本波の第２高調波としてＧ（緑色）光或いはＢ（青色）光の可視光を出力する波長変換素子とを備えることで、印画紙などにＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色からなるカラー画像を露光する写真処理装置における露光ユニット用に使用されているものがある。このような半導体レーザ光源装置においては、写真処理装置で得られるレーザ光の出力を高めるために、特定波長の光を反射するファイバ・ブラッグ・グレーティングを半導体レーザ素子と波長変換素子との間に設けている。

半導体レーザ素子、ファイバ・ブラッグ・グレーティング、波長変換素子は温度変化に対して基本波長が変化し易く、製造時の個体差に基づく波長のばらつきもあるので、出射レーザ光の波長を一定にするために、この種の半導体レーザ光源装置においては、これらの素子を厳密に温度制御する必要がある（例えば、特許文献１）。特に、波長のばらつきが大きいほど、この制御すべき温度範囲は広くなる。例えば、温度による波長変動が０．０７３ｎｍ／℃である波長変換素子において、その基本波長がファイバ・ブラッグ・グレーティングの基本波長より１．５ｎｍ短い場合、両方の基本波長を合わせるため、この波長変換素子を約２０℃加熱しなければならない。特に、光導波路型波長変換素子の場合は保持部材である筐体の上部に保持されており、波長変換素子の温度制御はこの筐体を温度制御することにより行われる。

また、半導体レーザ光源装置から出射されたレーザ光は、露光ユニットにおいて、レーザ光の強度（光量）を調節する音響光学式変調器に、一定の入射誤差の範囲内例えば±０．５°以内で入射している。

特開２００５−０５０８４７号公報

しかしながら、上述のように筐体を通じて波長変換素子の温度制御を行う場合、筐体と波長変換素子の温度変化による変形量が異なると、波長変換素子に歪みが生じたり、また、接着が外れることにより波長変換素子が筐体から剥離してしまうなどの問題がある。その結果、音響光学式変調器に対する出射レーザ光の光軸ずれの発生や、筐体と波長変換素子との間に隙間が生じて正確な温度制御が出来ないことなどの問題が生じていた。特に、このような光軸ずれは、露光面におけるレーザ出力を本来のレーザ出力に比べて低下させ、プリント色の異常を引き起こす。
一方、このような問題を回避するため温度制御範囲を狭くすると、波長変換素子と、半導体レーザ素子、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの間の波長差も狭くしなければならない。その結果、波長変換素子と、半導体レーザ素子、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの間で製造時の波長のばらつきが大きい場合、製造歩留まりの低下につながり、コストアップとなるという問題が生じる。

本発明は、かかる問題点に着目してなされたものであり、その目的は、温度変化に対する適応性に優れ、安定したレーザ出力を供給できるとともに歩留まりの向上を図ることができる半導体レーザ光源装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体レーザ光源装置の特徴構成は、半導体レーザ素子から得られるレーザ光を所定の波長に変換して出力する光導波路型の波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部材とを有する波長変換部を備え、入射レーザ光の強度を調節するとともに入射角度の誤差が±０．５°以内である音響光学式変調器に前記波長変換部において変換されたレーザ光を入射させる半導体レーザ光源装置において、
前記波長変換素子と前記保持部材との線膨張係数の差の絶対値を０．０８×１０^−５／Ｋ以下とした点にある。

本構成のごとく、光導波路型の波長変換素子とその保持部材との線膨張係数の差の絶対値を一定の値、０．０８×１０^−５／Ｋ以下とすることにより、保持部材に対する波長変換素子の剥離や位置ずれによる歪みなどが抑制され、入射角度の誤差が±０．５°以内である音響光学式変調器に対する出射レーザ光の光軸ずれを回避することができ、所定の温度変化量に対して安定したレーザ出力を供給することができる。
また、線膨張係数の差が小さければ、温度制御範囲が広くても、すなわち温度変化量が大きくても、波長変換素子と筐体との変化量のずれは小さくて済むので位置ずれは抑制される。したがって、線膨張係数の差を小さくすることにより、温度制御範囲を広くとることができ、その結果、波長変換素子と、半導体レーザ素子、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの間の波長差を広くとることができる。これにより、波長変換素子と、半導体レーザ素子、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの間で製造時に波長のばらつきがあっても、これらの間でより広い波長差のものについても使用することができるので、許容範囲が従来に比べて広くなり、製造歩留まりの向上によりコストダウンにつながる。さらに、上述したように波長差を広くとることができるので、これらの素子夫々の波長の選別が容易になり、組立効率もアップする。
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。

以下に本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
〔露光ユニット〕
図１に示す露光ユニット１は、デジタルミニラボ等と称される写真プリント装置に備えられているものである。このような写真プリント装置では、印画紙を搬送機構によって副走査方向に搬送しながら、搬送速度と同期したタイミングで、印画紙に対して露光ユニットから前記副走査方向と直交する主走査方向にライン状にレーザビームによって走査露光が行われる。より詳しくは、露光ユニット内において、半導体レーザ光源装置から出射された所望の波長を持つ可視光は、レーザビームの強度（光量）を調節する音響光学式変調器（Acousto Optic Modulator；以下、ＡＯＭと称する）、レーザビームを反射するビームミラー、ビームミラーからのレーザビームを前記主走査方向に走査するためのポリゴンミラー、及び、ポリゴンミラーで反射されたレーザビームを露光位置の印画紙に導くｆθレンズなどを経て、印画紙の乳剤面に到達することになる。

具体的には図１に示すように、露光ユニット１は、レーザビームを送り出す開口部に防塵ガラス１７をはめ込むことで密封構造維持しているアルミニウム合金等の軽金属合金からなる扁平な直方体形状（高さが横や縦に比べて短い）であるハウジング１６と、このハウジング１６の内部に収容したレーザユニットとで構成されている。このレーザユニットは、Ｒ、（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の半導体レーザ光源装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂと、この半導体レーザ光源装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂからの各レーザビームの強度（光量）を調節するＡＯＭ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂと、各レーザビームを反射するビームミラー１２ｒ、１２ｇ、１２ｂと、Ｙ軸周りで回転し、このビームミラー１２ｒ、１２ｇ、１２ｂからのレーザビームが導かれるアルミニウム等の軽合金製のポリゴンミラー１３と、このポリゴンミラー１３で反射されたレーザビームを露光位置の印画紙Ｐに導くｆθレンズ群１４と、ポリゴンミラー１３からのレーザビームが走査端に達したタイミングをタイミングミラー１５ａで反射されたレーザビームから取得する同期センサ１５ｂとを備えている。ここで、ＡＯＭには、レーザビームの入射角度の誤差が±０．５°以内であるものが使用されている。

〔半導体レーザ光源装置〕
カラー用印画紙に画像を形成するためには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各波長の可視光を走査する必要がある。そして、Ｒ（赤）用の光源装置には、半導体レーザ素子（Ｓemiconductor Laser Diode）からのレーザビームを直接的に送り出す半導体レーザ型を用い、Ｇ（緑）用とＢ（青）用の光源装置には、半導体レーザ素子から出射される近赤外線を、波長変換素子で波長変換して可視光線を得る形態が知られている。本発明による半導体レーザ光源装置は、後者のＧ（緑）用及びＢ（青）用の光源装置に該当する。
なお、Ｇ（緑）用の半導体レーザ光源装置とＢ（青）用の半導体レーザ光源装置のレーザ光源装置とは基本的に同じ構成を有するので、以下の説明では、基本的に専らＧ（緑）用の半導体レーザ光源装置１０ｇについて解説する。

半導体レーザ光源装置１０ｇは、図２〜図５に示すように、ベース部材２１の上面に、近赤外線を発振する半導体レーザ素子２と、半導体レーザ素子２から得られる近赤外線を第２高調波によって約５３２ｎｍの可視光のレーザビームＬＢｇに変換する波長変換部４とが配置され、半導体レーザ素子２と波長変換部４とは、近赤外線を導く長尺の光ファイバＦによって光学的に接続されている。そして、光ファイバＦの一部には、特定波長の光を反射することによって、主縦モードのレーザ光を増幅する回折格子としてのファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating；以下、ＦＢＧと称する）３が介装されている。なお、ベース部材２１の上部には、カバー部材２２がシール用のＯリング（不図示）を介して被せられ、半導体レーザ素子２、波長変換部４、ＦＢＧ３を含む光ファイバＦなどの各構成部材は、カバー部材２２内に形成された空間内に密閉されて、基本的に外気から遮断される。

図６は、半導体レーザ素子２、第１光ファイバＦ１、ＦＢＧ３、第２光ファイバＦ２、及び、第２光ファイバＦ２の後端に取り付けられたフェルール５からなる導波系モジュールＭの概要を示している。フェルール５は、第２光ファイバＦ２の後端と一体形成されたステンレス鋼製の円筒状部材であり、波長変換部４を構成する素子ホルダ３３の貫通孔内に挿通されて溶接で固定される。図６に示すように、半導体レーザ素子２には光反射面３５と光出射面３６とが形成されており、高出力の主縦モードのレーザ光を光出射面３６から出射させるために、光反射面３５は反射被膜を形成することにより９０％を超える高い反射率を持たせ、他方、光出射面３６は反射防止コーティング（ＡＲコーティング）を施すことなどにより、約０．１％の非常に低い反射率を持たせている。

図２〜図５、図７に示すように、波長変換部４は、波長変換素子を保持する保持部材としてステンレス（ＳＵＳ３０３等）製の素子ホルダ３３を有し、この素子ホルダ３３の上面には、光導波路型の波長変換素子として、半導体レーザ素子の出射レーザ光の波長変換行い、第２高調波として可視光を出力する非線形光学結晶からなるＰＰＬＮ（周期分極ニオブ酸リチウム：Periodically Poled Lithium Niobate）４１が接着剤４２を介して２点でスポット接着されている。この素子ホルダ３３の上面及びＰＰＬＮ４１の長さＬは、ともに１４ｍｍである。また、前記ステンレス製の素子ホルダ３３の線膨張係数は１．４６×１０^−５／Ｋ、ＰＰＬＮ４１の線膨張係数は１．５４×１０^−５／Ｋであり、その差は０．０８×１０^−５／Ｋである。

ベース部材２１の上面の一部からは、平板状の第１ペルチエ素子（温調素子の一例）をほぼ垂直な姿勢で収納した温調プレート３１が立設されており、半導体レーザ素子２がこの温調プレート３１の前面に密着固定され、ＦＢＧ３を含む光ファイバＦの部位が温調プレート３１の一部に形成された水平な貫通孔３１ａ内に密着固定されることで、半導体レーザ素子２とＦＢＧ３とが共通の第１ペルチエ素子によって目標温度に維持される構成となっている。
また、波長変換部４を構成する素子ホルダ３３の底面とベース部材２１との間には、光導波路を構成するＰＰＬＮ４１を目標温度に維持するための、平板状の第２ペルチエ素子（温調素子の一例）をほぼ水平に収納した温調プレート３２が配置されている。これにより、ＰＰＬＮは１０℃〜４７．５℃の間で温度制御される。

なお、Ｇ（緑）用の半導体レーザ光源装置１０ｇの場合、安定した高い出力を得るためには、光ファイバＦの長さは、半導体レーザ素子２からＦＢＧ３までの第１光ファイバＦ１の長さＬ１を１０６０ｍｍ、ＦＢＧ３から波長変換部４までの第２光ファイバＦ２の長さＬ２を５３８ｍｍに設定するのが適切であり、これらの値が基準とされている。光ファイバＦはこのように長尺であるため、半導体レーザ光源装置１０ｇを小型化するために、光ファイバＦを何重かの束になったループ状にして、ベース部材２１に形成された環状の収納溝３７の中に収納する構成となっている。また、ループの周方向における所定の数箇所にて接着剤３８によりベース部材２１に固定されている。

波長変換部４でＧ（緑）色の可視光に変換されたレーザビームＬＢｇは、コリメートレンズ２３、赤外光除去フィルタ２４、ビームスプリッタ２５、集光レンズ２６を介して、カバー部材２２に形成された開口部（不図示）から外部に送り出される。そして、このレーザビームＬＢｇは、図１に示すように、入射誤差が±０．５°以内であるＡＯＭ１１ｇに入射する。なお、コリメートレンズ２３は波長変換部４から出射されたレーザビームを平行化し、集光レンズ２６は平行化されたレーザビームを集光する。ビームスプリッタ２５は、レーザビームの一部の光線を分岐する機能を有し、このビームスプリッタ２５で分岐されたたレーザビームは光量センサＳで光量が計測され、出力される光量を目標値に維持するためのフィードバック制御に用いられる。

〔素子ホルダ及びＰＰＬＮの変化量〕
次に、素子ホルダ及びＰＰＬＮの温度変化による変化量、特に位置ずれにより出射レーザＬＢｇに影響を与え易い、レーザ出射方向に細長い長さＬ方向の変化量について説明する。温度変化による変化量は、線膨張係数×長さ×温度変化量で与えられる。上述したように、素子ホルダ３３の上面及びＰＰＬＮ４１の長さは１４ｍｍであり、温度変化量は最大で４７．５℃−１０℃＝３７．５Ｋである。素子ホルダ３３とＰＰＬＮの線膨張係数は、夫々１．４６×１０^−５／Ｋ、１．５４×１０^−５／Ｋであるので、その変化量の最大値は、夫々７．６６５μｍ、８．０８５μｍとなる。したがって、本実施形態における波長変換部における位置ずれの最大値は、０．４２μｍとなる。本願発明者の実験によれば、この位置ずれの値０．４２μｍは、入射誤差±０．５°以内のＡＯＭの仕様値の範囲内であることが確認された。したがって、ＡＯＭに対する出射レーザ光の光軸ずれを回避することができ、所定の温度変化量に対して安定したレーザ出力を供給することができる。

上述した実施の形態においては、素子ホルダ３３をステンレス製としたが、勿論、波長変換素子との線膨張係数の差の絶対値が０．０８×１０^−５／Ｋ以下であれば、その他の材料を用いて素子ホルダを形成しても良い。

上述した実施の形態においては、素子ホルダ３３及びＰＰＬＮ４１の長さＬを１４ｍｍ、温度制御範囲を１０℃〜４７．５℃（最大温度変化量３７．５℃）としたが、これが好適な値である。しかしながら、この値に限定されるものではなく、前記長さ×前記最大温度変化量の値が０．５２５Ｋ・ｍ以下であれば、本発明を適用することができる。

露光ユニットの構成を説明する概略図本発明に係る半導体レーザ光源装置の構造を示す斜視図図１の半導体レーザ光源装置の内部を示す平面図図１の半導体レーザ光源装置の要部を分解した斜視図図１の半導体レーザ光源装置の内部を示す縦断側面図光導波系を模式的に示す略図図１の半導体レーザ光源装置の波長変換部の拡大斜視図

符号の説明

２：半導体レーザ素子
４：波長変換部
１１：音響光学式変調器
３３：素子ホルダ（保持部材）
４１：ＰＰＬＮ（波長変換素子）

Claims

半導体レーザ素子から得られるレーザ光を所定の波長に変換して出力する光導波路型の波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部材とを有する波長変換部を備え、
入射レーザ光の強度を調節するとともに入射角度の誤差が±０．５°以内である音響光学式変調器に前記波長変換部において変換されたレーザ光を入射させる半導体レーザ光源装置において、
前記波長変換素子と前記保持部材との線膨張係数の差の絶対値を０．０８×１０^−５／Ｋ以下とした半導体レーザ光源装置。