JP2007240648A - レーザー装置及びレーザーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーモジュールと光ファイバーとの接続部分の汚染や損傷を防止して光出力の低下を防ぐことができるレーザー装置及びレーザーモジュールを提供する。
【解決手段】光ファイバー４４と、光ファイバー４６と接続され、光ファイバー４６の端部に向けてレーザー光Ｌを出射するレーザー光源が収容されたレーザーモジュールと、を備え、レーザー光Ｌの焦点位置Ｐが、光ファイバー４６のコア４２の内部となるように、光ファイバー４６とレーザーモジュールとが接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー装置及びレーザーモジュールに係り、特に、半導体レーザー等のレーザー光源を備えたレーザーモジュールと光ファイバーの一端とを接続し、その光ファイバーの他端からレーザー光を出射するレーザー装置及びレーザーモジュールに関する。

従来、空間光変調素子で変調したレーザー光を結像光学系に通し、このレーザー光による像を所定の感光材料上に結像して当該感光材料を露光する画像露光装置が公知となっている。この種の画像露光装置は、基本的に、照射されたレーザー光を各々制御信号に応じて変調する多数の画素部が２次元状に配列されてなる空間光変調素子と、この空間光変調素子にレーザー光を照射するレーザー装置と、前記空間光変調素子により変調されたレーザー光による像を感光材料上に結像する結像光学系とを備えてなるものである。なお、特許文献１には、上記基本的構成を有する画像露光装置の一例が示されている。

この種の画像露光装置におけるレーザー装置として、半導体レーザーを含むレーザーモジュールと光ファイバーとを接続したものが用いられる場合がある。そして、このようなレーザー装置では、レーザーモジュールが光ファイバーを接続するための所謂レセプタクル構造を有し、光ファイバーを容易に接続することができるようになっているものがある（例えば特許文献２参照）。

上記のようなレーザー装置では、レーザーモジュールの端部のガラス窓から出射されるレーザー光の集光位置に光ファイバーの端部が配置されるようにする場合があり、レーザー光の出力を高めることにより光の集塵効果によってゴミ等が光ファイバーの端部に付着し、光出力が低下したり、光密度の高い集光位置の焼き付きや損傷等が発生したりする場合がある、という問題があった。

有機物は大気中に揮発し、最も光密度の高いレーザ光出射端面に、光ＣＶＤ効果によって、Ｓｉ、Ｃ、あるいは有機物などの物質が成膜されてしまう。この現象は特に、紫外域に近い波長を使用した場合に顕著である（例えば特許文献３参照）。
特開２００４−１２４４号公報 特許第２８９８６２０号公報 特開２００４−４００５１号公報

最近、紫外域に近い波長の半導体レーザの出力が大幅に改善され、高出力化が進んでいる。本発明者らは、これまでよりも４倍以上の光出力の光源を使用したモジュールを製作したが、コア径６０μｍの光ファイバに波長が４０５ｎｍのレーザー光を結合させる際、ファイバ端に有機物質によると思われる汚染が生じ、光ファイバの端面及びスタブガラスの端面に付着物汚れが発生することを観察した。その結果、レーザーモジュールの特性劣化を引き起こしていることが判った。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザー光源と光ファイバーとの接続部分の汚染や損傷を防止して光出力の低下を防ぐことができるレーザー装置及びレーザーモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明のレーザー装置は、光ファイバーと、前記光ファイバーと接続され、前記光ファイバーの端部に向けてレーザー光を出射するレーザー光源が収容されたレーザーモジュールと、を備え、前記レーザー光の焦点位置が、前記光ファイバーの端部以外の位置となるように、前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、レーザー光の焦点位置が、光ファイバーの端部以外の位置となるように、光ファイバーとレーザーモジュールとが接続されているため、光の集塵効果による汚染物が光ファイバーの端部に付着したり焼き付きや損傷等が発生したりするのを防ぐことができる。

なお、請求項２に記載したように、前記光ファイバーの端部以外の位置は、前記光ファイバーの内部である構成としてもよい。

また、請求項３に記載したように、前記光ファイバーの端部を曲面とした構成としてもよい。これにより、光ファイバーの端部におけるレーザー光の露光面積を大きくすることで、単位面積あたりの光パワー密度を低減することができ、特有波長の光に因ると思われる集塵効果による汚染物が光ファイバーの端部に付着したり焼き付きや損傷等が発生したりするのをより効果的に防ぐことができる。

この場合、請求項４に記載したように、前記光ファイバーの端部を球面形状としてもよい。

また、請求項５に記載したように、前記光ファイバーの端部を円錐形状としてもよい。

また、請求項６に記載したように、前記レーザーモジュールのレーザー光を出射する窓部に設けられた透光部材の空気との界面表面を曲面としてもよい。

また、請求項７に記載したように、前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが着脱可能である構成としてもよい。すなわち、光ファイバーとレーザーモジュールとを分離可能な構成としてもよい。

また、請求項８に記載したように、前記光ファイバーの端部に入射されるレーザー光の前記端部におけるビーム径と前記光ファイバーのコアのコア径とが略同一となるように、前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが接続されている構成としてもよい。コア径いっぱいに入射ビーム径を広げることが、実効上、レーザーをロスなく結合できる限界値であり、そうすることで、汚染、損傷劣化によるレーザーの結合損失を小さくすることができる。

請求項９記載の発明は、光ファイバーと接続され、前記光ファイバーの端部に向けてレーザー光を出射するレーザー光源が収容されたレーザーモジュールであって、前記光ファイバーが接続された時に、前記レーザー光の焦点位置が、前記光ファイバーの端部以外の位置となるように前記光ファイバーを位置決めする位置決め手段を備えたことを特徴とする。

このように位置決め手段を備えることにより、レーザー光の焦点位置を確実に光ファイバーの端部以外の位置とすることができる。

本発明によれば、レーザーモジュールと光ファイバーとの接続部分の汚染や損傷を防止して光出力の低下及び寿命の低下を防ぐことができる、という効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係るレーザーモジュール１０の側面の概略断面図を示した。同図に示すように、ＣＡＮパッケージ１２を備えている。

丸形のＣＡＮパッケージ１２は、ＬＤ（レーザーダイオード）１４を備えている。このＬＤ１４は、例えば発光幅１０μｍのマルチモードブロードエリアＬＤで出力が５００ｍＷである。

ＬＤ１４は、パッケージ内のブロック１６にＡｕＳｎロウ材を用いて実装されている。そして、ＬＤ１４からのレーザー光の出射窓１８が設けられたＣＡＰ２０が例えば抵抗溶接によりＣＡＮパッケージ１２の基台２２に取り付けられており、内部が気密封止されている。

ＬＤ１４が密封されたＣＡＮパッケージ１２は、ＬＤホルダ２４に圧入固定されている。なお、ＣＡＮパッケージ１２は、圧入以外にＹＡＧ熔接などの熔接や半田、接着剤を用いてＬＤホルダ２４に固定しても良い。

ＣＡＮパッケージ１２のレーザー光の出射側には、集光レンズ２６が設けられている。この集光レンズ２６は、例えば倍率４倍のレンズが用いられ、ＬＤ１４から出射されたレーザー光を集光する。

集光レンズ２６は、例えば接着剤によって集光レンズホルダ２８に固定されている。なお、集光レンズ２６は、圧入により集光レンズホルダ２８に固定されてもよい。

集光レンズホルダ２８は、ＬＤホルダ２４にレーザー光の光軸方向に摺動自在に嵌め合わされている。

また、集光レンズホルダ２８には、ガラススタブ３０を保持するスタブホルダ３２が取り付けられている。なお、ガラススタブ３０は、例えば屈折率が１．５のガラスを用いることができる。スタブホルダ３２は、レンズホルダ２８上に例えばＹＡＧ溶接によって固定されるが、接着剤や半田で固定されてもよい。

スタブホルダ３２の内周にはスリーブ３４が設けられている。このスリーブ３４内に光ファイバーケーブル４０が挿入される。このように、レーザーモジュール１０は、光ファイバーケーブル４０を着脱可能な構成となっている。

光ファイバーケーブル４０は、図２に示すように、コア４２がクラッド４４に覆われた構成の光ファイバー４６の一端に、フェルール４８が取り付けられた構成である。なお、光ファイバー４６とフェルール４８とは、例えばエポキシ系接着剤樹脂によって固定されている。

なお、光ファイバー４６は、例えばＮＡ（開口率）が０．２２、コア径が５０μｍのマルチモードファイバを用いることができる。

また、スリーブ３４のレーザー光出射側の端部とフェルール４８とは、図１に示すように高粘性接着剤５０によって接着され固定されていてもよいが、スリーブ３４内にフェルール４８を挿入するだけで固定されるのであれば、必ずしも接着剤によって固定する必要はない。

コア径が小さい光ファイバー４６のレーザー光入射側の端部に短波長領域の高輝度のレーザー光を集光させると、光ファイバー４６のレーザー光入射側の端部におけるパワー密度が高くなり、集塵効果によって光ファイバー４６のレーザー光入射側の端部が汚染したり、焼き付きや損傷が発生したりする場合がある。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、ＬＤ１４から出射されたレーザー光Ｌの集光位置（焦点位置）Ｐが光ファイバー４６の内部、すなわちコア４２の内部となるような位置で、光ファイバー４６とレーザーモジュール１０とが接続されている。

このように、レーザー光Ｌの集光位置Ｐを光ファイバー４６の内部、すなわちコア４２の内部に位置させることにより、光の集塵効果による汚染物が光ファイバー４６の端部に付着したり焼き付きや損傷等が発生したりするのを防ぐことができる。

なお、図４に示すように、光ファイバー４６の端部を球面形状としてもよい。これにより、図３に示す光ファイバー４６の端部が平面の場合と比較して、光ファイバー４６の端部、すなわち空気との界面におけるレーザー光の露光面積を大きくすることができる。これにより、光ファイバー４６の端部におけるレーザー光のパワー密度を小さくすることができ、光の集塵効果による汚染物が光ファイバー４６の端部に付着したり焼き付きや損傷等が発生したりするのをより効果的に防ぐことができる。

さらに、図５に示すように、光ファイバー４６の端部に入射されるレーザー光Ｌの端部におけるビーム径が光ファイバー４６のコア４２のコア径ｒ以下、好ましくは略同一となるような位置で、光ファイバー４６とレーザーモジュール１０とが接続されることが好ましい。これにより、レーザー光の損失を小さくすることができると共に、汚染による劣化も抑えることができる。

なお、光ファイバー４６の端部の形状は球面に限らず、光ファイバー４６の端部におけるレーザー光の露光面積を大きくできるような形状であればよい。

例えば、図６に示すように、光ファイバー４６の端部を円錐形状としてもよい。このような形状とすることにより、図４に示すように球面形状とした場合と比較して、光ファイバー４６の端部におけるレーザー光の露光面積をより大きくすることができる。

ここで、本発明者らが図６に示すように光ファイバー４６のコア４２の突出部分の長さＲ（ｍｍ）とその部分における露光面積との関係を求めた結果を図７に示す。なお、コア径は３３μｍである。同図に示すように、Ｒを大きくするに従って、露光面積が大きくなっているのが判る。

また、光ファイバー４６のコア４２のコア半径と露光面積との関係を、光ファイバー４６の端部を図３に示すように平面にした場合と、図４に示すように球面形状（半円形状）にした場合と、図６に示すように円錐形状（Ｒ＝１００μｍ）にした場合と、のそれぞれについて求めた結果を図８に示す。同図に示すように、光ファイバー４６の端部を平面にした場合よりも球面形状あるいは円錐形状とした場合の方が露光面積が大きくなっている。なお、光ファイバー４６の端部を平面にした場合に、コア半径が３．０Ｅ−０５ｍ（直径が６０μｍ）の光ファイバーにレーザーを結合するとき、そのレーザービーム径を焦点位置の調整によりコア径に対してほぼいっぱいのφ５５μｍにした状態で評価した場合に有機物の汚染が確認されるレベルであった。

また、本発明者らが汚染レベルと露光面積との関係について測定した結果を図１１に示す。汚染レベルは３段階で評価し、汚染レベル１が特性劣化が著しいレベル、汚染レベル２が特性劣化に影響があるレベル、汚染レベル３が特性劣化に影響がない合格レベルとした。同図の一点鎖線で示すように２．３８Ｅ−０９（ｍ²）が有機物の汚染が確認されるレベルの露光面積であるといえる。すなわち、本実施形態におけるレーザモジュールの光パワーレベルにおいては、上述の露光面積よりも広い照射エリアを必要とする。同パワーで同性能のレーザーモジュールを得るためには、光ファイバーの端部を球形、錐形にすることで対応できる。

なお、光ファイバー４６の端部の形状は球面形状や円錐形状に限らず、露光面積を大きくできる形状、すなわち曲面であればよく、また、凸形状でも凹形状でもよい。

また、図９に示すように、ガラススタブ３０のレーザー光出射側の形状を曲面としてもよい。すなわち凸レンズで構成してもよい。これにより、レーザー光Ｌがガラススタブ２０によって屈折され、コア径が小さい光ファイバーに対してもレーザー光Ｌの損失を抑えつつコア内部に集光させることができる。

また、図１０に示すように、スリーブ３４の内側に、レーザー光Ｌの集光位置がコア内部となるような位置で位置決めするための位置決め機構としてストッパー５２を備えた構成としてもよい。なお、位置決め機構は、図１０に示したものに限らず、レーザー光Ｌの集光位置がコア内部となるような位置でレーザーモジュール１０と光ファイバーケーブル４０とが接続されるように光ファイバーケーブル４０を位置決めするものであればよい。このようにストッパー５２を設けることにより、光ファイバー４６が必要以上にスリーブ内に挿入されるのを防ぐことができ、確実にレーザー光の集光位置をコア内部にすることができる。

なお、本実施形態では、レーザー光の集光位置が光ファイバーのコア内部となるようにレーザーモジュール１０と光ファイバーケーブル４０とが接続された場合について説明したが、これに限らず、レーザー光の集光位置が光ファイバーのコアの外部、例えばガラススタブ３０内となるようにレーザーモジュール１０と光ファイバーケーブル４０とが接続されるように構成してもよい。この場合、例えば図９に示すように、ガラススタブ３０のレーザー光出射側の形状を曲面としてもよい。これにより、空気との界面におけるレーザー光の露光面積を大きくすることができるため、レーザー光のパワー密度を小さくすることができ、汚染による特性劣化を防ぐことができる。

また、本実施形態では、ガラススタブ３０と光ファイバー４６とが離間した構成について説明したが、例えば図４〜６及び図９に示したように、光ファイバー４６及びガラススタブ３０の少なくとも一方の空気との界面の形状を曲面とした場合には、ガラススタブ３０と光ファイバー４６とが当接していてもよい。この場合、ガラススタブ３０と光ファイバー４６との接触部分以外は、空気との界面となるため汚染対象となるが、本発明を適用することにより、汚染による特性劣化を防ぐことができる。

レーザーモジュール及び光ファイバーケーブルが接続された状態の側面断面図である。 光ファイバーケーブルの側面断面図である。 レーザー光の集光位置について説明するための図である。 端部を球面形状とした光ファイバーについて説明するための図である。 端部を球面形状とした光ファイバーについて説明するための図である。 端部を円錐形状とした光ファイバーについて説明するための図である。 光ファイバーのコアの突出部分の長さとその部分における露光面積との関係を示すグラフである。 光ファイバーのコアのコア半径と露光面積との関係を示すグラフである。 端面を曲面形状としたガラススタブについて説明するための図である。 位置決めガイドを備えたレーザーモジュールの一部断面図である。 汚染レベルと露光面積との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ レーザーモジュール
１２ パッケージ
１６ ブロック
１８ 出射窓
２０ ガラススタブ
２２ 基台
２４ ホルダ
２６ 集光レンズ
２８ レンズホルダ
２８ 集光レンズホルダ
３０ ガラススタブ（透光部材）
３２ スタブホルダ
３４ スリーブ
４０ 光ファイバーケーブル
４２ コア
４４ クラッド
４６ 光ファイバー
４８ フェルール
５０ 高粘性接着剤
５２ ストッパー（位置決め手段）

Claims (9)

1. 光ファイバーと、
   前記光ファイバーと接続され、前記光ファイバーの端部に向けてレーザー光を出射するレーザー光源が収容されたレーザーモジュールと、
   を備え、
   前記レーザー光の焦点位置が、前記光ファイバーの端部以外の位置となるように、前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが接続されている
   ことを特徴とするレーザー装置。
2. 前記光ファイバーの端部以外の位置は、前記光ファイバーの内部であることを特徴とする請求項１記載のレーザー装置。
3. 前記光ファイバーの端部を曲面としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー装置。
4. 前記光ファイバーの端部を球面形状としたことを特徴とする請求項３記載のレーザー装置。
5. 前記光ファイバーの端部を円錐形状としたことを特徴とする請求項３記載のレーザー装置。
6. 前記レーザーモジュールのレーザー光を出射する窓部に設けられた透光部材の空気との界面表面を曲面としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のレーザー装置。
7. 前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが着脱可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のレーザー装置。
8. 前記光ファイバーの端部に入射されるレーザー光の前記端部におけるビーム径と前記光ファイバーのコアのコア径とが略同一となるように、前記光ファイバーと前記レーザーモジュールとが接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のレーザー装置。
9. 光ファイバーと接続され、前記光ファイバーの端部に向けてレーザー光を出射するレーザー光源が収容されたレーザーモジュールであって、
   前記光ファイバーが接続された時に、前記レーザー光の焦点位置が、前記光ファイバーの端部以外の位置となるように前記光ファイバーを位置決めする位置決め手段を備えたことを特徴とするレーザーモジュール。

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