JP2007059855A - グリーンレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モジュールケース内に設けられた赤外線半導体レーザのレーザ素子の前方に、赤外線レーザ光をグリーンレーザ光に波長変換する光共振器が設けられ、この光共振器の前後方向の位置決め、中心線に合わせた位置決め、中心線を軸とする回転方向の位置決めが正確に設定できるグリーンレーザ装置にすることにある。
【解決手段】 モジュールケース内に形成されたスペーサ部を利用して光共振器を中央に保持させた光共振器ホルダのモジュールケース内における前後の位置決めをし、更にモジュールケースの後端部内に赤外線半導体レーザをステムの切欠き部を利用して固定するとともに、この切欠き部が形成されている向きを基準にして、光共振器の入射面の縦・横の向きがレーザ素子から出射される赤外線レーザ光の楕円パターンの向きに揃うように、光共振器ホルダをモジュールケース内に固定させた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、赤外線半導体レーザ、光共振器などの前後方向の位置決め、中心線を軸心にした回転方向の位置決めが正確かつ容易に行えるグリーンレーザ装置に関する。

グリーンレーザ光は、赤色レーザ光よりも鮮明に見え、とくに屋外ではその差がきわだつという特長があり、赤外線半導体レーザダイオード（以下、赤外線半導体レーザと略称する。）のレーザ素子から出射された赤外線レーザ光を、光共振器内を通過させる過程でグリーンに波長変換させるとともに第二励起する方法で得られ、光共振器から前方に向けて出射されたグリーンレーザ光はドットパターン又は楕円パターンの断面形状を有する。

現在、最も良く知られる光共振器は、レーザ結晶であるＮｄ；ＹＶＯ４結晶と非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶とで構成された、端面が正方形の長方体で形成されている。
光共振器の設置については、特開平９−２９３９１９号公報に、光学材料（光共振器）を側壁に接着させた結晶ホルダをレーザマウントの先端面に接着剤を利用した接着によって固定させて、光共振器を赤外線半導体レーザダイオードのハウジング（保護キャップ）の内側に設ける技術が開示されている。
また、特開平６−３０２９０４号公報に、赤外線半導体レーザのハウジング（キャップ）内に、円筒形状の中央に光共振器を保持させた光共振器ホルダを設ける技術が開示されている。

特開平９−２９３９１９号公報 特開平６−３０２９０４号公報

発明が解決しようとする課題

しかしながら、端面が正方形の光共振器を用いると、レーザ素子から前方に向かうに従って楕円形状が広がる方向に出射する赤外線レーザ光を漏れなく入射させるためには、光共振器の入射面の１辺の長さを少なくともこの楕円の長径に合わせた長さにする必要があり、このため光共振器から出射されるグリーンレーザ光は径の大きいドットパターンになって、レーザ墨出し器用の光源に使用した場合に、好ましいとされる細い線幅が得られなかった。

また、特開平９−２９３９１９号公報の図１に示すように、結晶ホルダをレーザマウントに直接搭載させるためには、レーザマウントの先端面を、結晶ホルダを安定して搭載させることができる広さで、傾きが無く接着に適した面であることが要求されるが、多くの赤外線半導体レーザはこれに対応した構造になっておらず、安価な普及品の赤外線半導体レーザが利用できなかった。

また、結晶ホルダをレーザマウントに搭載させると、レーザ素子及び光共振器から発生する熱が双方に影響し易く、過熱防止対策が必要であった。

一方、特開平６−３０２９０４号公報に記載の技術では、赤外線半導体レーザのハウジング（パッケージ）内に、光共振器を中央に保持させた光共振器ホルダが設けるようにしているが、多くの場合、赤外線半導体レーザのハウジングの内径が３．５ｍｍ程度と小さいため、光ディスク用光源として使用する場合には問題ないが、更に高い光出力が要求されるレーザ墨出し器用の光源として使用する場合には、レーザ素子及び光共振器で生じる熱がハウジングを通じて相互に伝わり易く、放熱効率が良くない。

本発明は、入射面及び出射面がレーザ素子から出射される赤外線レーザ光が楕円パターンであることに対応させて、この楕円パターンに合わせた長方形の端面形状を有する長方体の光共振器を使用して、光共振器から楕円パターンのグリーンレーザ光が出射され、更にその前方のロッドレンズから細い線幅の墨出しラインが出射されるグリーンレーザ装置にすることを課題とする。
また、このために必要な、赤外線半導体レーザと光共振器の中心軸を軸にした回転方向の位置合わせと、前後方向の間隔の位置合わせが、正確かつ容易に行えるグリーンレーザ装置にすることを課題とする。
更には、放熱効果に優れるグリーンレーザ装置にすることを課題とする。

課題を解決するための手段

本発明グリーンレーザ装置は、ステム型の赤外線半導体レーザ、該半導体レーザのレーザ素子から出射した赤外線レーザを光共振器で第二励起してグリーンに波長変換して出射する光共振器を中央に保持させた光共振器ホルダ、ロッドレンズなどがモジュールケース内に配設されてこれらの位置決めが行われており、
前記光共振器は、レーザ素子から出射される赤外線レーザ光の楕円形状に合わせた、長方形の端面形状を有する長方体で形成されたものが用いられ、
モジュールケースの後端から挿入した前記半導体レーザの回り止めが、ステム外周面の１箇所に形成されている切欠き部とモジュールケースの内周壁の１箇所に形成されている突起との係合により行われ、この係合により決められた赤外線レーザ光の楕円パターンの向きと光共振器の入射面の縦・横の向きとが揃うように、光共振器ホルダがモジュールケース内で回り止めされ、
光共振器ホルダの前後方向の位置決めと固定が、モジュールケース内周壁の途中箇所に形成されている小径のスペーサ部の前端面に光共振器ホルダを当接させた位置で行われて、レーザ素子と光共振器との間に若干の隙間が設けられていることを特徴とするグリーンレーザ装置で構成される。

本発明のグリーンレーザ装置では、レーザ素子の若干間隔を設けた前方に光共振器を設けるため、また放熱効果を良くするために、円形肉厚形状のステム前面にハウジング（保護キャップ）が設けられていない赤外線半導体レーザを用いることが好ましい。このため、ステム前面に搭載されているレーザダイオードの主要部品は、保護キャップよりも各段に大きな筒形のモジュールケースで保護される。
ステム型の赤外線半導体レーザには、ステムの周縁の１箇所にコ字形状又はＶ字形状の切欠き部が形成されている。この切欠き部は該レーザの製造時にステムをワークで保持するときの向きの位置合わせなどをするためにある。本発明では、この切欠き部を利用して赤外線半導体レーザを一定の向きでモジュールケースに保持させるようにした。

光共振器は、レーザ結晶であるＮｄ；ＹＶＯ４結晶と非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶とで構成され、必ずしも限定されるものではないが、好ましくはこれらの結晶が前後に接合され、レーザ素子から出射される赤外線レーザの楕円パターンに合わせた長方形の端面形状を有する長方形のものが使用され、入射面の縦・横方向の向きを赤外線レーザ光の楕円パターンの向きに合わせて、レーザ素子から若干間隔を設けた前方位置に配設される。
このようにすると、波長８０８ｎｍの赤外線レーザ光は漏れなく光共振器の入射面に入射され、光共振器から出射されるまでの過程で、第二励起されつつ一旦１０６４ｎｍに波長変換され、更に波長５３２ｎｍに波長変換されて、断面形状が楕円パターンのグリーンレーザ光となって前方に出射され、更にこの楕円パターンのグリーンレーザ光が前方のロッドレンズに直交する方向に入射して、ロッドレンズから線幅が狭く１方向に広がった墨出し線に適したグリーンラインとなって出射される。
本発明では、光共振器の入射面の縦・横の向きが上記切欠き部を基準とした向き、即ちレーザ素子の出射面の縦・横の向きと同じ向きになるように、光共振器ホルダをモジュールケース内に保持（固定）させた。

発明の効果

本発明のグリーンレーザ装置によれば、従来の赤外線半導体レーザに設けられているハウジング（キャップ）より大きなモジュールケースの筒内に赤外線半導体レーザと光共振器を保持した光共振器ホルダとを配置させた結果、これらを安定した姿勢で正確な位置に配設できるようになった。しかも、赤外線半導体レーザのレーザ素子に対する光共振器の間隔の位置合わせ、縦・横の向きの位置合わせ、中心位置合わせなどが、モジュールケースと光共振器ホルダの形状で略対応でき、しかも正確な位置合わせが容易にできるようになった。また、赤外線半導体レーザのハウジング（キャップ）よりも大きなモジュールケースを使用した結果、レーザ素子及び光共振器で発生する熱の放熱効率が向上し、過熱による出力不足・出力障害などを従来よりも格段に抑えることができるようになった。

図１は本発明実施例によるグリーンレーザ装置を示した分解斜視図、図２は同じく平面断面図、図３は同じく正面断面図、図４は同じく左側面図、図５は図２におけるＩ−Ｉ位置の断面図である。
これら各図に示す実施例のグリーンレーザ装置１は、グリーンレーザ墨出し器用に対応させた構造を有する。
図１〜図３に示すグリーンレーザ装置１は、ステム型でキャップが設けられていない赤外線半導体レーザ２と、その駆動回路基板３と、モジュールケース４と、赤外線レーザ光を第二励起しながらグリーンレーザ光に波長変換する光共振器５と、光共振器５をモジュールケース４内で保持させる光共振器ホルダ６と、グリーンレーザ光に混じって光共振器５から出射される赤外線の透過を防ぐ赤外線透過防止フィルタ７と、光共振器５から出射した楕円パターンのグリーンレーザ光を、前方のロッドレンズ１０に向けて平行に屈折させるコリメータレンズ９と、楕円パターンのグリーンレーザ光を墨出しラインとして使用できるように１方向に拡げるロッドレンズ１０とが組み付けられたもので構成される。赤外線透過防止フィルタ７、及びコリメータレンズ９は、墨出しラインを出力させるために必要であるが、例えば断面が楕円パターンのグリーンレーザ光を出射させる場合には、これらは必要ではない。このため、赤外線透過防止フィルタ７、及びコリメータレンズ９は必要絶対構成要件ではない。

赤外線半導体レーザ２のステム２ａは、肉厚円板形状を有しその周縁の一部に切欠き部２ｂが形成されており、ステム２ａの前面にレーザ素子２ｆを壁面に固定させたレーザマウント２ｅなどの主要部品が搭載されており、ステム２ａの後面から後方に向けて突出させたリード線２ｃ，２ｃ，２ｃに駆動回路基板３が電気接続されて、駆動回路基板３でパルス発振させた直流電流で赤外線半導体レーザが駆動する。

赤外線半導体レーザ２は、出射面を前方に向けてモジュールケース４の筒内後部に突入・保持される。
本実施例のモジュールケース４は、内径に段差がある円筒形状を有する前後分轄型のものが組み付けられたもので構成されており、その組付け後の筒内後端部に、赤外線半導体レーザ２のステム２ａの径に略合わせた大きさのステム突入口４ａで形成され、ステム突入口４ａの内壁に、前記切欠き部２ｂに突入する凸状のガイド部４ｂが形成されている。
そして、筒内のステム突入口４ａの前端から前方の途中箇所に、内径がステム突入口４ａよりも小径であり前後長さがレーザマウント２ｅの高さよりも若干長いスペーサ部４ｄが形成され、更にその前方にはスペーサ部４ｄの内径よりも大きな内径の光共振器ホルダ案内部４ｅが形成され、更にその前方には内周面にネジ溝が形成されたコリメータレンズ保持部４ｆが形成され、更にその前方から前端に至る箇所にロッドレンズホルダ保持部４ｇが形成されている。後部側ケース４Ａと前部側ケース４Ｂとの継ぎ目は、光共振器ホルダ案内部４ｅの途中部分に位置し、モジュールケース４の外周壁の１箇所から筒内の中心方向に向けて、光共振器ホルダ６の回転方向の向きを一定にさせる位置決め用埋込みネジ１３が螺装される。

赤外線半導体レーザ２は、レーザ素子２ｆを前方に向けた姿勢で、モジュールケース４の筒内後端部に取り付けられる。この取り付けは、赤外線半導体レーザ２のステム２ａをステム突入口４ａ内に突入させて行い、この突入前にステム４ａに形成されている切欠き部２ｂの向きを前記ガイド部４ｂに合わせて、レーザ素子２ｆの縦・横方向の向きを一定の方向にさせる。この向きでステム２ａを突入させると、図４の左側面図（後面図でもある）に示すように、赤外線半導体レーザ２がモジュールケース４に保持されて、レーザ素子２ｆの中心がモジュールケース４の中心線上に位置する。
そして、図２及び図４に示すように、モジュールケース４の外周壁の１箇所からステム２ａ内に向けて埋込みピン１２を突入させ、さらにモジュールケース４の後端縁をステム２ａに向けてカシメて、赤外線半導体レーザ２を固定させる。なお、ステム２ａとモジュールケース４とを接着剤で接着させてもよい。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、光共振器５は、レーザ結晶であるＮｄ；ＹＶＯ４結晶５ａと非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶５ｂとで構成され、必ずしも限定されるものではないが、好ましくはこれらの結晶が前後に接合され、端面（入射面と出射面）の形状が、縦・横の長さの比が約２〜３：１の長方形を有する長方体に形成されており、この長さの比は、レーザ素子から出射される赤外線レーザ光２０の楕円パターンに略合わせた比である。そして、Ｎｄ；ＹＶＯ４結晶５ａの入射面には発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が９９．９％以上であり、かつ励起光の波長８０８ｎｍに対する透過率が９５％以上のコーティングがされ、ＫＴＰ結晶５ｂの出射面には波長１０６４ｎｍに対する反射率が９９．９％以上のコーティングがされている。このため、光共振器５の入射面から波長８０８ｎｍの赤外線レーザ光が入射すると、第二励起を伴って波長５３２ｎｍに波長変換されて、楕円パターンのグリーンレーザ光となって前方に出射される。

図２、図３、図５に示すように、光共振器５は、出射面を前方に向けて光共振器ホルダ６の中央部に位置する保持部６ｃ内に嵌め込みと接着によって保持されて、光共振器５の中心が該ホルダ６の中心に位置し、光共振器６の１側面にはコ字形状のガイド部材１５が保持されている。

図１〜図３に示すように、赤外線透過防止フィルタ７は、光共振器５内で波長変換されずにグリーンレーザ光に混じって出射面から出射された赤外線の透過を防ぎ、波長５３２ｎｍ及びその周辺域のグリーンレーザ光を透過させることができる公知の赤外線透過防止フィルタが使用され、光共振器ホルダ６前面のフィルタ嵌込み部６ｃ内に、光共振器の出射面から間隔を設けた状態で装着されている。

光共振器５と赤外線透過防止フィルタ７を保持させた光共振器ホルダ６は、前後分轄型のモジュールケース４の片側を構成する後部側ケース４Ａの光共振器ホルダ案内部４ｅ内に取り付けられる。その取り付けは、後部側ケース７の前方から光共振器ホルダ案内部４ｅの後端位置まで挿入して行う。
そして、この挿入の際に、光共振器ホルダ６の切欠き部６ｂの向きをモジュールケース４内に突出している位置決め用埋込みネジ１３の向きに合わせて、光共振器ホルダ６を光共振器ホルダ案内部４ｅの後端位置まで挿入させると、図２及び図５に示すように、ガイド部材１５内に位置決め用埋込みネジ１３の先端部が側方から入り込んで、光共振器ホルダ６の回転方向の向きが決められる。この向きは、レーザ素子２ｆから出射される赤外線レーザ光の楕円形状の向きに合わせた、光共振器５の入射面の縦・横の向きである。

図２及び図３に示すように、コリメータレンズ９は、モジュールケース４の片側を構成する前部側ケース２のコリメータレンズ保持部４ｆ内に保持される。コリメータレンズ保持部４ｆの内周壁にはネジ溝が形成されており、コリメータレンズ９の外周縁には、このネジ溝に沿ってコリメータレンズ９を前後位置調整可能に保持させる、リング状の金属製ネジ環９ａが保持されている。

ロッドレンズ１０は、ロッドレンズホルダ１１を介して、モジュールケース４の前端、即ち、前部側ケース４Ｂの先端部に装着されて、前部側ケース４Ｂの中心線上にロッドレンズ１０の中心が位置するようにしてある。そして、後部側ケース４Ｂと前部側ケース４Ａとを前後に組み付ける際には、光共振器５の出射面の縦・横の向きとロッドレンズ１０の向きとが直交するように向きを合わせる。

上述した実施例の構成では、前後分轄型のモジュールケース４が用いられているが、分轄構造でないモジュールケースを用いても良い。
また、上述した実施例の構成では、光共振器ホルダ６の向きの位置決めを、位置決め用埋込みネジ１３を用いて行っているが、図７に示すように、モジュールケース４内の光共振器ホルダ６を保持させる内径部分の一部箇所と、光共振器ホルダ６の外周の一部箇所に、それぞれ密着して向き合う平坦面４ｈ，６ｄを形成して、光共振器ホルダ６に向きが一定になるようにしてもよい。或いはこれら平坦面４ｈ，６ｄに代る凹凸を形成してもよい。また、モジュールケース４の外側壁から光共振器ホルダ６に向けてネジ又はピン止めして、光共振器ホルダ６を一定の向きで固定するようにしてもよい。
また、赤外線透過防止フィルタ７をロッドレンズホルダ１１の後端部に装着するようにしてもよい。

本発明実施例によるグリーンレーザ装置を示した分解斜視図である。 同じく平面断面図である。 同じく正面断面図である。 同じく左側面図である。 図２におけるＩ−Ｉ位置の断面図である。 （ａ）は光共振器の斜視図、（ｂ）は同じく出射面を正面から見た図である。 モジュールケース内に光共振器ホルダの向きを一定にさせて保持する構造の他例を示した断面図である。

符号の説明

１ グリーンレーザ装置
２ 赤外線半導体レーザ
２ａ ステム
２ｂ 切欠き部
２ｃ リード線
２ｄ レーザマウント
２ｆ レーザ素子
３ 駆動回路基板
４ モジュールケース
４Ａ 後部側ケース
４Ｂ 前部側ケース
４ａ ステム突入口
４ｂ ガイド部
４ｄ スペーサ部
４ｆ コリメータレンズ保持部
４ｇ ロッドレンズホルダ保持部
５ 光共振器
５ａ レーザ結晶（Ｎｄ；ＹＶＯ４）
５ｂ 非線形光学結晶（ＫＴＰ結晶）
６ 光共振器ホルダ
６ａ 切欠き部
６ｂ 保持部
６ｃ フィルタ嵌込み部
７ 赤外線透過防止フィルタ
８ コリメータレンズ
１０ ロッドレンズ
１３ 位置決め用埋込みネジ

Claims (1)

1. ステム型の赤外線半導体レーザ、該半導体レーザのレーザ素子から出射した赤外線レーザを光共振器で第二励起してグリーンに波長変換して出射する光共振器を中央に保持させた光共振器ホルダ、ロッドレンズなどがモジュールケース内に配設されてこれらの位置決めが行われており、
   前記光共振器は、レーザ素子から出射される赤外線レーザ光の楕円形状に合わせた、長方形の端面形状を有する長方体で形成されたものが用いられ、
   モジュールケースの後端から挿入した前記半導体レーザの回り止めが、ステム外周面の１箇所に形成されている切欠き部とモジュールケースの内周壁の１箇所に形成されている突起との係合により行われ、この係合により決められた赤外線レーザ光の楕円パターンの向きと光共振器の入射面の縦・横の向きとが揃うように、光共振器ホルダがモジュールケース内で回り止めされ、
   光共振器ホルダの前後方向の位置決めと固定が、モジュールケース内周壁の途中箇所に形成されている小径のスペーサ部の前端面に光共振器ホルダを当接させた位置で行われて、レーザ素子と光共振器との間に若干の隙間が設けられていることを特徴とするグリーンレーザ装置。

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