JP2009206158A - レーザモジュールおよびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造がシンプルで小型化が可能であり、十分な結合効率を実現できるレーザモジュールおよびレーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザモジュール１は、フォトニック結晶面発光レーザ素子であるレーザ素子３と、レーザ素子３のレーザ出射面としての出射面７に対向する位置に端面８が露出している光ファイバ６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザモジュールおよびレーザ装置に関し、より特定的には、構造がシンプルで小型化が可能なレーザモジュールおよびレーザ装置に関する。

従来、さまざまなレーザ装置が実用化されている。たとえば、紫外域のレーザビームを発生させる装置として、半導体レーザ励起固体レーザから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザ、エキシマレーザ、あるいはＡｒレーザなどが知られている。しかし、上記エキシマレーザは、高出力を得ることが可能である一方で、装置が大型で、装置コストやメンテナンスコストが高いという問題がある。また、上記波長変換レ−ザ−は波長変換効率が非常に低く、また、Ａｒレーザーは電気−光効率が約０．００５％と非常に低いため、ともに高出力を実現するには問題がある。

そこで、複数の光源（例えばＧａＮ系半導体レーザ素子など）からの光を１箇所に集光して光ファイバ等の受光器に結合する光パワー合成用光学系が従来提案されている（たとえば、特開２００２−２０２４４２号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）参照）。

特許文献１では、複数の光源からの光を、それぞれの光源に対応するコリメートレンズで略平行光とした後、その複数の光束を一つの大口径の集光レンズで1箇所に集光することで光ファイバに結合するレーザ装置が提案されている。特許文献１では、このレーザ装置により高出力のレーザビームが得られるとしている。また、このような高出力のレーザビームの応用分野としては、加工用（局所半田付け）、医療関係、露光用光源などが考えられている。
特開２００２−２０２４４２号公報

しかし、上述した従来のレーザ装置には以下のような問題があった。すなわち、複数の半導体レーザからのレーザ光をまずコリメートレンズでほぼ平行光としてから、さらに大口径の集光レンズで１箇所に集光するため、光学系が複雑で部品点数が多く、高コストとなっていた。また、複数の半導体レーザを一列に配置するため、集光レンズの径もその半導体レーザの数に応じて大きくなっていた。ここで、複数の光源から出射し集光レンズで集光された合成光を、光ファイバのようなＮＡ（開口数）の制限がある受光器に効率よく取込むためには、集光レンズで集光される合成光のＮＡを受光器のＮＡより小さくする必要がある。このため、集光レンズの口径が大きくなり、その焦点距離も長くなってしまうため、光学系の光路長が長くなる。この結果、光学系のサイズが大きくなってしまう。さらに、集光レンズの焦点距離が長くなると、光学系の倍率が大きくなり、結果的に集光された光束の集光径も大きくなる。この結果、受光器の受光エリアが小さいばあいには、当該受光エリアに集光された光束が入りきらないことになり、結果的に結合効率が低下するという問題が発生し得る。

さらに、上述した従来のレーザ装置に用いられる半導体レーザは、一般的にＦＦＰ（Far Field Pattern：遠視野像）が大きいため、上記従来のレーザ装置のようにコリメートレンズおよび集光レンズを用いても結合効率が低下する場合があった。

この発明は、上記の様な課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、構造がシンプルで小型化が可能であり、十分な結合効率を実現できるレーザモジュールおよびレーザ装置を提供することである。

この発明に従ったレーザモジュールは、フォトニック結晶面発光レーザ素子と、フォトニック結晶面発光レーザ素子のレーザ出射面に対向する位置に端面が露出している光ファイバとを備える。このようにすれば、レーザ素子として他の半導体レーザ素子より遠視野像（ＦＦＰ）が非常に小さいため（たとえば通常の半導体レーザのＦＦＰが半値全幅で１０°〜５０°程度であるのに対して、フォトニック結晶面発光レーザ素子のＦＦＰはたとえば半値全幅で１．８°程度）、集光レンズなどを用いることなく高効率で光ファイバにレーザ光を受光させることができる（高い結合効率を実現できる）。また、集光レンズなどを用いないため、レーザモジュールの構成が従来に比べてシンプルになる。この結果、レーザモジュールの小型化を図ることができると共に、製造コストを低減できる。

この発明に従ったレーザ装置は、上記レーザモジュールを複数備え、複数のレーザモジュールの光ファイバが集合して光ファイバ束を構成している。この場合、個々のレーザモジュールから得られるレーザ光を、光ファイバ束を通してまとめることにより、高出力のレーザ光を得ることができる。

上記レーザ装置は、光ファイバ束においてフォトニック結晶面発光レーザ素子側の端面とは反対側の端面に対向するように配置された集光レンズをさらに備えていてもよい。この場合、光ファイバ束から出射されるレーザ光を集光レンズで集光することで、高出力のレーザ光を所定の領域に照射することができる。

この発明に従ったレーザモジュールは、フォトニック結晶面発光レーザ素子が複数個連なったレーザ素子アレイと、レーザ素子アレイを構成するフォトニック結晶面発光レーザ素子のレーザ出射面に対向する位置にそれぞれの端部が露出している複数の光ファイバと、レーザ素子アレイに対する光ファイバの相対的な位置を固定するための固定部材とを備える。また、本発明に従ったレーザ装置は、上記レーザモジュールを１つまたは複数備えていてもよい。

このようにすれば、フォトニック結晶面発光レーザ素子（以下、面発光レーザ素子とも言う）と光ファイバとを結合したレーザモジュールを形成した後、当該レーザモジュールを集積する場合よりも、レーザモジュールやレーザ装置のサイズを小さくできる。また、レーザ素子アレイと対向するように光ファイバを固定する固定部材として、たとえば通信用の規格品（キャピラリ）などを用いることができるため、低コストで本発明によるレーザモジュールおよびレーザ装置を実現できる。

また、上述のような構成とすれば、面発光レーザ素子と光ファイバとを個別に結合したレーザモジュールを複数個集積した場合より、レーザモジュールおよびレーザ装置の部品点数を削減できる。このため、レーザモジュールまたはレーザ装置の構造を単純化できるとともに、製造コストも削減できる。

また、複数の光ファイバの固定のために固定部材を用いることで、レーザ素子アレイに対する複数の光ファイバの位置決めを容易に行なうことができるため、個々の光ファイバにおけるレーザ光の結合効率を高く維持することが可能になる。

本発明によれば、シンプルな構成でかつ小型化が可能なレーザモジュールおよびレーザ装置を実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部材には同一の参照符号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明による半導体レーザモジュールの実施の形態１を示す模式図である。図１を参照して、本発明による半導体レーザモジュールを説明する。

図１を参照して、本発明による半導体レーザモジュール１は、基板２と基板２の上部表面上に配置されたレーザ素子３と、このレーザ素子３の光の出射面７に対向する位置に配置された光ファイバ６とを備える。光ファイバ６は、たとえばコア径が１１２μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２の光ファイバを用いることができる。また、レーザ素子３は、フォトニック結晶面発光レーザ素子であって、たとえばレーザ光の出射面における発光部の直径を１００μｍ、ＦＦＰを１．８°とすることができる。光ファイバ６のレーザ素子３と対向する端部は保持体１０に接続固定されている。この保持体１０が、基板２の上部表面に固定された支持部材１１の開口部に挿入されることにより、光ファイバ６はレーザ素子３に対して位置決めされる。具体的には、光ファイバ６の端面８における中心軸９がレーザ素子３の発光領域の中心と重なるように、光ファイバ６が位置決めされている。

レーザ素子３は、基板２の上部表面上に接続固定されている。基板２の上部表面上においてレーザ素子３に隣接する部分には、レーザ素子３へと電力を供給するための端子４が設置されている。端子４と、レーザ素子３の電極（図示せず）とはワイヤ５によって接続されている。すなわち、半導体レーザモジュール１は、フォトニック結晶面発光レーザ素子であるレーザ素子３と、レーザ素子３のレーザ出射面としての出射面７に対向する位置に端面８が露出している光ファイバ６とを備える。

レーザ素子３の光の出射面と光ファイバ６の端面８との間の距離Ｌはたとえば０．５ｍｍとすることができる。この場合、半導体レーザモジュール１の結合効率は約９６％となる。ここで、結合効率とは、レーザ素子３から出射された光のうち、光ファイバ６の端面８に入射する光の割合を示しており、たとえばレーザ素子３の光出力が３５ｍＷとした場合に、半導体レーザモジュール１の結合効率が上述のように９６％である場合、光ファイバ６の端面８から入射し、この半導体レーザモジュール１から取出される光の出力は３５ｍＷ×０．９６＝３３．６ｍＷということになる。また、図１に示すように、レーザ素子３の出射面７における発光領域の端部と光ファイバ６のコアの外周との間を結ぶ線分と中心軸９に平行な線分とのなす角度θはたとえば２°程度となる。

このように、レーザ素子３としてＦＦＰが非常に小さいフォトニック結晶面発光レーザを用い、光ファイバ６をレーザ素子３に近接して配置することで、レンズなどの光学素子を使わずに半導体レーザモジュール１を構成することができる。この結果、シンプルな構成であって小型化が可能であり、十分な結合効率を示す半導体レーザモジュール１を実現できる。また、構成部材の数が従来のレーザモジュールより少ないため、製造コストを従来より低減できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明によるレーザ装置の実施の形態２を示す模式図である。図２を参照して、本発明によるレーザ装置２０を説明する。図２に示すように、本発明によるレーザ装置２０は、複数の半導体レーザモジュール１を備えるレーザ光源部４１と、これらの複数の半導体レーザモジュール１から引出された光ファイバ６をまとめたバンドル２１と、当該バンドル２１においてレーザ光源部４１が位置する側と反対側の端部に接続された光学系２２と、を備える。レーザ光源部４１を構成する半導体レーザモジュール１は、基本的には図１に示した半導体レーザモジュール１と同様の構造を備える。また、光学系２２としては、たとえば凸レンズなどの集光レンズを用いることができる。つまり、レーザ装置２０は、上記半導体レーザモジュール１を複数備え、複数の半導体レーザモジュール１の光ファイバ６が集合して光ファイバ束としてのバンドル２１を構成している。また、上記レーザ装置２０は、バンドル２１においてレーザ素子３側の端面とは反対側の端面に対向するように配置された集光レンズを含む光学系２２をさらに備えている。

この結果、個々の半導体レーザモジュール１から得られるレーザ光を、バンドル２１を通してまとめることにより、高出力のレーザ光２３を得ることができる。また、レーザ装置２０では、複数のレーザ素子３から出射したレーザ光を、光ファイバ６を介して光学系２２に入射させている。そして、当該光学系２２における凸レンズなどの集光レンズを用いて、レーザ光２３を照射対象物２４の所定の位置に集光して照射することができる。ここで、たとえばレーザ素子３として実施の形態１において説明した光出力が３５ｍＷのものを用い、各半導体レーザモジュール１の結合効率を約９６％とすると、バンドル２１から光学系２２を介して出力されるレーザ光２３の出力は、半導体レーザモジュール１の数に比例して増大することになる。たとえば、半導体レーザモジュール１をレーザ光源部４１が６０個備えている場合には、レーザ光２３の光出力としてはたとえば３３．６ｍＷ×６０＝２０１６ｍＷといった大きな値となる。

（実施の形態３）
図３は、本発明による半導体レーザモジュールの実施の形態３を示す模式図である。図３を参照して、本発明による半導体レーザモジュールの実施の形態３を説明する。

図３に示すように、本発明による半導体レーザモジュールは、レーザ素子３が複数個連なったレーザアレイ３１と、当該レーザアレイ３１における光の出射面７と対向する位置に配置されたキャピラリ３０とを備える。キャピラリ３０は、複数の光ファイバ６と、これらの複数の光ファイバ６の端部を保持するキャピラリ本体３２とによって構成される。なお、光ファイバ６において、キャピラリ本体３２と接続された端部から反対側の端部は、バンドル２１にまとめられた状態になっている。つまり、図３に示したレーザモジュールは、フォトニック結晶面発光レーザ素子であるレーザ素子３が複数個連なったレーザ素子アレイとしてのレーザアレイ３１と、レーザアレイ３１を構成するレーザ素子３のレーザ出射面（出射面７）に対向する位置にそれぞれの端部が露出している複数の光ファイバ６と、レーザアレイ３１に対する光ファイバ６の相対的な位置を固定するための固定部材であるキャピラリ本体３２とを備える。

レーザアレイ３１は、図３に示すように複数のレーザ素子３が直列に並んだ構成となっている。また、レーザアレイ３１の個々のレーザ素子３における出射面７の光出射領域の中心と、光ファイバ６の中心軸とがそれぞれ一致するように、キャピラリ本体３２には光ファイバ６を保持するための開口部が形成されている。当該開口部の内部に光ファイバ６が挿入された状態で固定される。このようなキャピラリ３０を用いることにより、キャピラリ３０をレーザアレイ３１に対して位置決めすることで、レーザ素子３と光ファイバ６とを容易かつ精度よく配置することができる。このため、光ファイバ６における結合効率を高く維持することができる。また、半導体レーザモジュール１が個々に独立している場合よりも、モジュール全体の大きさを小さくするとともに、部品点数を削減し製造コストを低減することもできる。

ここで、たとえばレーザアレイ３１が８個のレーザ素子３を備える場合を考える。また、レーザ素子３として、上述した実施の形態１における半導体レーザモジュールに含まれるレーザ素子３と同様に、光出力が３５ｍＷのレーザ素子を用いると考える。また、レーザ素子３と光ファイバ６との配置は、図１に示した半導体レーザモジュールにおける配置と同様になっていると仮定する。このとき、図３に示した半導体レーザモジュールからは、３３．６ｍＷ×８＝２６９ｍＷの光出力が光ファイバ６のバンドル２１を介して得られる。

（実施の形態４）
図４は、本発明によるレーザ装置の実施の形態４を示す模式図である。図５は、図４に示したレーザ装置のレーザ光源部の構成を示す斜視模式図である。図６は、図５の線分ＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。図７は、図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。図４〜図７を参照して、本発明によるレーザ装置の実施の形態４を説明する。

図４〜図７に示すように、本発明によるレーザ装置２０は、レーザ光源部４１と、このレーザ光源部４１から取出されたレーザ光を伝送するための光ファイバのバンドル２１と、当該バンドル２１のレーザ光源部４１が接続された側と反対側の端部に接続された光学系２２と、これらの光学系２２およびレーザ光源部４１を制御するための制御部４２とを備える。光学系２２に対してバンドル２１から入射したレーザ光は、たとえば凸レンズなどの集光レンズやその他の光学レンズを通過することにより、照射対象物２４の表面に集光するレーザ光２３となる。

レーザ光源部４１は、図５〜図７に示すように、ベース部材としての基板２と、当該基板２上に配置された複数のレーザアレイ３１と、このレーザアレイ３１を囲むように配置された支持部材４４と、この支持部材４４に保持されることによって、レーザアレイ３１の光出射面と対向する位置に位置決めされた複数のキャピラリ３０とを備える。具体的には、基板２の上部表面上に複数のレーザアレイ３１が設置される。このレーザアレイ３１には、複数のレーザ素子が含まれる。そして、このレーザアレイ３１を囲むように支持部材４４が基板２の上部表面上に接続固定される。支持部材４４には、キャピラリ３０を挿入して固定するための溝部４５（図６および図７参照）が形成されている。支持部材４４には、複数個の溝部４５が形成されている。このため、支持部材４４に対しては、図５に示すように複数のキャピラリ３０が整列して固定される。また、複数のレーザアレイ３１は、それぞれ複数のキャピラリ３０の直下に位置するように配置される。つまり、上記レーザ光源部４１を含むレーザ装置２０では、図３に示したレーザモジュールが複数用いられている。

キャピラリ３０においては、そのレーザアレイ３１と対向する端面に光ファイバ６の端面が露出するように、複数の光ファイバ６が固定されている。そして、キャピラリ本体３２の上端部から外部へと延在する光ファイバ６は結束されバンドル２１となっている。このような構成とすれば、複数のキャピラリ３０とレーザアレイ３１とを集積した状態で配置することができるので、レーザ光源部４１をよりコンパクト化することが可能である。たとえば、フォトニック結晶面発光レーザを複数個含むレーザアレイ３１を複数個、たとえば７つ並べ、これらのレーザアレイ３１と対向する位置に、同様に７つのキャピラリ３０が支持固定される構造を考える。そして、レーザアレイ３１を構成するレーザ素子が本発明の実施の形態１と同様のレーザ素子であり、結合効率が同様に９６％である場合には、当該レーザ光源部４１から取出されるレーザ光の出力は、３３．６ｍＷ×８×７＝１８８２ｍＷとなる。

図８は、図４〜図７に示したレーザ装置におけるレーザ光源部４１の変形例を示す模式図である。図９は、図８の線分ＩＸ−ＩＸにおける断面模式図である。図８および図９を参照して、図４〜図７に示したレーザ装置２０の変形例を説明する。

図８および図９に示したレーザ装置のレーザ光源部は、基本的には図５〜図７に示したレーザ光源部と同様の構造を備えるが、支持部材４４に対するキャピラリ３０の位置決め方法が異なっている。具体的には、支持部材４４において、キャピラリ３０の位置決めを行なうための位置決めピン４６がレーザアレイ３１を挟むように２箇所に配置されている。当該位置決めピン４６の上部は支持部材４４の表面から突出した状態になっている。そして、キャピラリ３０のキャピラリ本体３２においては、光ファイバ６の端面が露出する下面（レーザアレイ３１と対向する面）に、位置決めピン４６の上部を挿入するための凹部４７が形成されている。そして、キャピラリ３０を支持部材４４へと固定する場合には、キャピラリ３０の当該凹部４７に位置決めピン４６が挿入された状態となるようにキャピラリ３０を支持部材４４へと設置する。この結果、図５〜図７に示したレーザ光源部４１と同様に、レーザアレイ３１に対するキャピラリ３０の位置決めを確実に行なうことができる。

図１０は、図４〜図７に示したレーザ装置におけるレーザ光源部の第２の変形例を示す平面模式図である。図１１は、図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける断面模式図である。図１０および図１１を参照して、図４〜図７に示した本発明によるレーザ装置の第２の変形例を説明する。

図１０および図１１に示したレーザ光源部４１を含むレーザ装置は、基本的には図４に示したレーザ装置と同様の構造を備えるが、レーザ光源部４１の構成が異なっている。すなわち、図１０および図１１に示したレーザ光源部４１は、レーザ素子がマトリクス状に配置されたレーザアレイ４３と、当該レーザアレイ４３の光出射面と対向する位置に複数の光ファイバ６を位置決めして固定するためのキャピラリ３０と、当該キャピラリ３０を支持するための支持部材５４とからなる。但し、キャピラリ３０を構成する固定部材としてのキャピラリ本体３２の平面形状は、図１０に示すように六角形状となっている。そして、このキャピラリ本体３２には、光ファイバ６をマトリクス状に配置するための複数の開口部が形成されている。当該開口部は、レーザアレイ４３における光出射領域と対向する位置に配置されている。そして、支持部材５４には、上述した平面形状が六角形状のキャピラリ３０を挿入固定するための凹部５５が形成されている。

このような構成によっても、複数のレーザ素子を含むレーザアレイ４３から、高い精度でレーザ光を取出すことが可能である。

上述した各実施の形態における半導体レーザモジュール１またはレーザ装置２０において、レーザ素子３と光ファイバ６と相対的な配置については、以下のような構成とすることができる。すなわち、図１を参照して、レーザ素子３の出射面７における光出射領域の直径と、光ファイバのコア部の直径との差の１／２をｒ（単位：μｍ）、出射面７と光ファイバ６の端面８との間の距離をＬ（単位：μｍ）とし、出射面７における光出射領域の直径を１００μｍ、レーザ素子３のＦＦＰを半値全幅で１．８°とした場合に、０≦Ｌ≦３６００＋４０×ｒという関係式を満足することが好ましい。また、上記距離Ｌは、好ましくは０≦Ｌ≦２５００＋４０×ｒ、より好ましくは０≦Ｌ≦１４００＋４０×ｒという関係式を満足する。ここで、距離Ｌの上限を３６００＋４０×ｒ（μｍ）としたのは、このような条件を満足するように距離Ｌを設定することで、レーザ素子３と光ファイバ６との結合効率を、従来の構成（通常の半導体レーザから出射したレーザ光を、非球面レンズで集光し光ファイバに導入（結合）する構成）での最大の結合効率である６０％を超える結合効率を実現できるためである。また、距離Ｌの好ましい上限を２５００＋４０×ｒとしたのは、このような構成とすることで結合効率を７５％以上とすることができ、本願発明におけるレーザ素子３の特徴（ＦＦＰが半値全幅できわめて小さいこと）を生かし、従来より十分に高い結合効率を実現できるためである。また、距離Ｌのより好ましい上限を１４００＋４０×ｒとしたのは、このような構成とすれば、本願発明におけるレーザ素子３の特徴を最大限に生かし、結合効率を９０％以上と極めて高くすることができるためである。なお、上述した結合効率については、光線追跡法による計算結果から算出した。

また、出射面７の中央部と光ファイバ６の中心軸９の延在方向とが一致することが好ましい。この場合、光ファイバ６へ十分高い結合効率でレーザ光を受光させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、レーザ素子から光ファイバへ光を受光させるレーザモジュールおよび当該レーザモジュールを用いたレーザ装置に有利に適用される。

本発明による半導体レーザモジュールの実施の形態１を示す模式図である。 本発明によるレーザ装置の実施の形態２を示す模式図である。 本発明による半導体レーザモジュールの実施の形態３を示す模式図である。 本発明によるレーザ装置の実施の形態４を示す模式図である。 図４に示したレーザ装置のレーザ光源部の構成を示す斜視模式図である。 図５の線分ＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。 図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。 図４〜図７に示したレーザ装置におけるレーザ光源部４１の変形例を示す模式図である。 図８の線分ＩＸ−ＩＸにおける断面模式図である。 図４〜図７に示したレーザ装置におけるレーザ光源部の第２の変形例を示す平面模式図である。 図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける断面模式図である。

符号の説明

１ 半導体レーザモジュール、２ 基板、３ レーザ素子、４ 端子、５ ワイヤ、６ 光ファイバ、７ 出射面、８ 端面、９ 中心軸、１０ 保持体、１１ 支持部材、２０ レーザ装置、２１ バンドル、２２ 光学系、２３ レーザ光、２４ 照射対象物、３０ キャピラリ、３１，４３ レーザアレイ、３２ キャピラリ本体、４１ レーザ光源部、４２ 制御部、４４，５４ 支持部材、４５ 溝部、４６ 位置決めピン、４７，５５ 凹部。

Claims (4)

1. フォトニック結晶面発光レーザ素子と、
   前記フォトニック結晶面発光レーザ素子のレーザ出射面に対向する位置に端面が露出している光ファイバとを備える、レーザモジュール。
2. 請求項１に記載のレーザモジュールを複数備え、
   前記複数のレーザモジュールの光ファイバが集合して光ファイバ束を構成する、レーザ装置。
3. 前記光ファイバ束において前記フォトニック結晶面発光レーザ素子側の前記端面とは反対側の端面に対向するように配置された集光レンズをさらに備える、請求項２に記載のレーザ装置。
4. フォトニック結晶面発光レーザ素子が複数個連なったレーザ素子アレイと、
   前記レーザ素子アレイを構成するフォトニック結晶面発光レーザ素子のレーザ出射面に対向する位置にそれぞれの端部が露出している複数の光ファイバと、
   前記レーザ素子アレイに対する光ファイバの相対的な位置を固定するための固定部材とを備える、レーザモジュール。

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