JP2011187525A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は半導体レーザ装置および、その製造方法に関するもので、コストを下げることを目的とするものである。
【解決の手段】そして、この目的を達成するために本発明は、基台７と、この基台７上に配置された半導体レーザ素子１と、この半導体レーザ素子１のレーザ光出射部１ａに、そのレーザ光入射側が対向配置されたロッドレンズ３と、このロッドレンズ３のレーザ光出射側に対向配置されたれファイバアレイ６とを備え、前記ロッドレンズ３は、鉄とニッケルを含む合金で形成されたレンズ固定台４を介して、前記基台７上に固定された構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ装置およびその製造方法に関するものである。

近年、電気入力に対するレーザ発振出力の変換効率の高さから半導体レーザ装置を、固体レーザの励起光として、あるいは直接加工光源として利用するニーズが高まっている。

図５は従来例を示し、基台１０１と、この基台１０１上に配置された半導体レーザ素子１０２と、この半導体レーザ素子１０２のレーザ光出射部１０２ａに、そのレーザ光入射側が対向配置されたコリメートレンズ１０３と、このコリメートレンズ１０３のレーザ光出射側に対向配置されたれレーザ光伝送体１０４とを備えた構成となっていた（これに類似する構成は例えば下記特許文献１に記載されている）。

特開平５−９３８２８号公報

従来の半導体レーザ装置において、コリメートレンズ１０３は、レンズ固定台１０５を介して、前記基台１０１上に固定されているが、このレンズ固定台１０５は、半導体レーザ素子１０２のレーザ光出射部１０２ａからのレーザ光出射による温度上昇が発生した時でも、熱膨張が小さいことが重要となる。

すなわち、前記レーザ光出射等による温度上昇が発生した時に、このレンズ固定台１０５が大きく熱膨張した状態となると、半導体レーザ素子１０２のレーザ光出射部１０２ａと、コリメートレンズ１０３と、レーザ光伝送体１０４との配置関係が崩れ、その結果としてレーザ光の伝送効率が低下してしまうからである。

そこで、従来例では、レンズ固定台１０５を、熱膨張係数の小さな石英によって形成している。

しかしながら、石英は、材料としても高価な上、脆性材料のため加工も困難であるため、結論としてレンズ固定台１０５は高価になり、それにともなって半導体レーザ装置も高価になってしまうと言う課題があった。

そこで、本発明は、コストを低下することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、基台と、この基台上に配置された半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子のレーザ光出射部に、そのレーザ光入射側が対向配置されたコリメートレンズと、このコリメートレンズのレーザ光出射側に対向配置されたレーザ光伝送体とを備え、前記コリメートレンズは、鉄とニッケルを含む合金で形成されたレンズ固定台を介して、前記基台上に固定された構成とし、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように、本発明は、基台と、この基台上に配置された半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子のレーザ光出射部に、そのレーザ光入射側が対向配置されたコリメートレンズと、このコリメートレンズのレーザ光出射側に対向配置されたレーザ光伝送体とを備え、前記コリメートレンズは、鉄とニッケルを含む合金で形成されたレンズ固定台を介して、前記基台上に固定された構成としたものであるので、そのコストを下げることができる。

すなわち、レンズ固定台を、鉄とニッケルを含む合金で形成すると、このレンズ固定台の熱膨張率を小さなものとすることができるので、前記レーザ光出射等による温度上昇が発生した時でも、このレンズ固定台が大きく熱膨張せず、その結果として、半導体レーザ素子のレーザ光出射部と、コリメートレンズと、レーザ光伝送体との配置関係が大きく崩れることはなく、レーザ光の伝送効率低下も抑制することができる。

また、レンズ固定台を、鉄とニッケルを含む合金で形成すると、その加工が簡単になるだけでなく、このレンズ固定台自体が安価で、しかもこのレンズ固定台を基台上に固定することも簡単に行えるようになるので、その結果としてコストを下げることができるのである。

本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置の斜視図（ｂ）そのレンズ固定台の形状を示す正面図 （ａ）本発明の実施の形態３におけるレンズ固定台の形状を示す正面図（ｂ）その背面図 本発明の実施の形態４におけるレンズ固定台の形状を示す正面図 従来の半導体レーザ装置を示す斜視図

（実施の形態１）
図１において、１はレーザ光を出射する半導体レーザ素子、２は前記半導体レーザ素子１を冷却するヒートシンク、３は前記半導体レーザ素子１のレーザ光出射部１ａから出射されたレーザ光をコリメートするためのコリメートレンズの一例として用いたロッドレンズである。

また、４は前記ロッドレンズ３を固定するためのレンズ固定台、５は前記ロッドレンズ３と前記レンズ固定台４を接着固定するための接着剤である。

また、６は前記ロッドレンズ３によりコリメートされたレーザ光が入射するレーザ光伝送体の一例として用いたファイバアレイである。

さらに、７は前記半導体レーザ素子１、前記ヒートシンク２、前記ロッドレンズ３、前記レンズ固定台４、前記接着剤５、前記ファイバアレイ６等を取り付けるための基台である。

前記基台７は、上面が開口した皿状（図５の従来例参照）となっており、その上面にヒートシンク２が固定され、このヒートシンク２上に半導体レーザ素子１が固定されている。

また、この半導体レーザ素子１のレーザ光出射部１ａに、ロッドレンズ３のレーザ光入射側が対向配置され、さらに、このロッドレンズ３のレーザ光出射側に、ファイバアレイ６対向配置された構造となっている。

つまり、基台７上において、この半導体レーザ素子１、ロッドレンズ３、ファイバアレイ６が、所定空間をおいて、直線状に配置されているのである。

また、そのように、半導体レーザ素子１、ロッドレンズ３、ファイバアレイ６が直線状配置されるようにするために、前記ロッドレンズ３を、レンズ固定台４を介して、前記基台７上に固定している。

具体的には、先ず、基台７は、この図１に示すように、その半導体レーザ素子１とファイバアレイ６間部分を境に、半導体レーザ素子１側が平面状の上段面７ａ、ファイバアレイ６側が平面状の下段面７ｂ、また上段面７ａと下段面７ｂ間が垂直壁７ｃとなっている。

そして、上段面７ａ上には、板状のヒートシンク２を介して半導体レーザ素子１が固定されており、また、下段面７ｂには、レンズ固定台４が固定されている。

レンズ固定台４は、この図１に示すように、水平方向に伸びた角柱状の基台固定部４ａと、このレンズ固定台４の両端から上方に立ち上がった固定腕４ｂと、この固定腕４ｂの上面で形成された平面状のレンズ固定部４ｃとを有する構成となっている。

したがって、レンズ固定台４の基台固定部４ａを、下段面７ｂ上を垂直壁７ｃに当接するまでスライド移動後に、ここで非光硬化型の接着剤、例えば熱硬化型接着剤（図示せず）を用いて接着固定すれば、レンズ固定台４は基台７の上面の所定部分に簡単に位置決め固定が行える。

レンズ固定部４ｃは、図１に示すごとく、固定腕４ｂから半導体レーザ素子１側に突出することで、この固定腕４ｂよりは、半導体レーザ素子１方向の面積を大きくしており、その状態でロッドレンズ３の両端を接着剤５によってレンズ固定部４ｃ上面に固定している。

以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。

電源装置（図示せず）から半導体レーザ素子１に電力が供給されると、この半導体レーザ素子１のレーザ光出射部１ａからレーザ光が、ロッドレンズ３に向けて出射される。

レーザ光はロッドレンズ３によりコリメートされ、ファイバアレイ６に向けて出射され、その後、ファイバアレイ６から基台７外部に導光され、固体レーザの励起光や直接加工光源として利用される。

上述のごとく、半導体レーザ素子１に電力が供給されると、半導体レーザ素子１は発振し、それによりレーザ光出射部１ａからレーザ光が、ロッドレンズ３に向けて出射されるが、その時、この半導体レーザ素子１は発熱することになる。

また、レーザ光出射部１ａからレーザ光が、ロッドレンズ３に向けて出射されると、レーザ光や、その散乱光により、基台７上の空間は加熱されることになる。

もちろん、その時には、基台７を冷却媒体により冷却したり、ヒートシンク２に直接冷却媒体を循環させたりすることにより、半導体レーザ素子１や基台７上の空間を冷却し、温度上昇を抑制する構造となっているが、ある程度の温度上昇は発生する。

この温度上昇により、半導体レーザ素子１とロッドレンズ３の位置関係が変化すると、ファイバアレイ６への光結合効率の低下や、ビーム品質が悪化するため、半導体レーザ素子１とロッドレンズ３の位置関係は、基台７上の空間の温度変化によらず、実用上常に一定である必要がある。

そこで本実施形態では、レンズ固定台４を、熱膨張率が小さく、加工性が優れている鉄とニッケルを含む合金、例えばインバー合金で、形成した。

このように、レンズ固定台４を、熱膨張率が小さいインバー合金で形成すれば、上述した温度上昇が発生しても、このレンズ固定台４が大きく熱膨張せず、その結果として、半導体レーザ素子１のレーザ光出射部１ａと、ロッドレンズ３との配置関係は、大きく崩れることはなく、レーザ光の伝送効率低下も発生しない。

また、ロッドレンズ３とファイバアレイ６との直線状態も大きく崩れることはなく、この部分でも、レーザ光の伝送効率低下も発生しない。

さらに、レンズ固定台４を、インバー合金で形成すると、その加工が簡単になるだけでなく、このレンズ固定台４自体が安価で、しかもこのレンズ固定台４を基台７上に固定することも簡単に行えるようになるので、その結果としてコストを下げることができる。

本実施形態においては、先ず、このようにしてレンズ固定台４を、基台７上に固定し、次に、ロッドレンズ３の位置を、半導体レーザ素子１に対して調整し、その後ロッドレンズ３をレンズ固定台４に接着剤５で固定する。

なお、本実施の形態においてはレンズ固定台４と基台７とを直接固定としているが、レンズ固定台４と基台７の間には別の部材を介して間接的に固定してもよい。

また、レンズ固定台４の基台固定部４ａを、基台７に、ネジ（図示せず）を用いてネジ固定しても良いし、さらにレンズ固定台４の基台固定部４ａを、基台７に、ロウ剤を用いてロウ付け固定しても良いし、さらにまた、レンズ固定台４の基台固定部４ａを、基台７に、溶接固定しても良い。

なお、この実施形態では、前記基台７上にヒートシンク２を介して半導体レーザ素子１を固定したが、基台７上に半導体レーザ素子１を直接固定しても良い。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を示し、図１に示した、実施の形態１と同一箇所については、同一の符号を付して詳細を簡略化する。

本実施の形態２においては、レンズ固定台４のレンズ固定部４ｄは、凹形状とし、この凹部内に、ロッドレンズ３の一部を、この凹部内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このロッドレンズ３の外表面と、前記凹部内壁面との間には接着剤５を介在させた状態としている。

なお、凹形状のレンズ固定部４ｄは、基台７に対して直交する方向（上方）に開口部を有する構成となっているので、接着剤５やロッドレンズ３は上方から、この凹形状のロッドレンズ固定部４ｄ内に配置される。

本実施形態において、ロッドレンズ３をレンズ固定台４のレンズ固定部４ｄに接着固定する場合、接着剤５が硬化の際、硬化収縮するので、ロッドレンズ３が移動する可能性がある。

しかしながら、本実施形態では、レンズ固定台４のレンズ固定部４ｄを、凹形状とし、この凹部内に、ロッドレンズ３の一部を、この凹部内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このロッドレンズ３の外表面と、前記凹部内壁面との間には接着剤５を介在させた状態としている。

このため、接着剤５の硬化収縮は矢印８の方向（凹部内壁面に向けて）となり、この場合には、ロッドレンズ３両側のＸ軸方向は互いの収縮力を打ち消し合うことになるので、接着剤５の硬化収縮によるＸ軸方向のロッドレンズ３の移動を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、レンズ固定部４ｄを、図２のごとく矩形状としたが、このレンズ固定部４ｄは、ロッドレンズ３の両側（Ｙ軸）に対称な形状であれば、例えばＶ字状でも、Ｕ字状でも良い。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３を示し、図１、図２に示した、実施の形態１、２と同一箇所については、同一の符号を付して詳細を簡略化する。

本実施の形態３においては、レンズ固定台４のレンズ固定部４ｅは、基台に対して平行方向に開口部を有する凹形状とし、この凹部内に、ロッドレンズ３の一部を、この凹部内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このロッドレンズ３の外表面と、前記凹部内壁面との間には接着剤５を介在させた状態としている。

このため、接着剤５の硬化収縮は矢印９の方向（凹部内壁面に向けて）となり、この場合には、ロッドレンズ３両側のＹ軸方向は互いの収縮力を打ち消し合うことになるので、接着剤５の硬化収縮によるＹ軸方向のロッドレンズ３の移動を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、レンズ固定部４ｅを、図３のごとく矩形状としたが、このレンズ固定部４ｅは、ロッドレンズ３の上下側（Ｘ軸）に対称な形状であれば、例えば横向きのＶ字状でも、横向きのＵ字状でも良い。

（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４を示し、図１〜図３に示した、実施の形態１〜３と同一箇所については、同一の符号を付して詳細を簡略化する。

本実施の形態４においては、レンズ固定台４のレンズ固定部４ｆは、貫通孔により形成し、この貫通孔内に、ロッドレンズ３の一部を、この貫通孔内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このロッドレンズ３外表面と、前記貫通孔内壁面との間には接着剤５を介在させた状態としている。

このため、接着剤５の硬化収縮は矢印１０の方向（凹部内壁面に向けて）となり、この場合には、ロッドレンズ３のＸ軸両側方向、Ｙ軸両側方向は互いの収縮力を打ち消し合うことになるので、接着剤５の硬化収縮によるＸ軸方向、Ｙ軸方向のロッドレンズ３の移動を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、レンズ固定部４ｆを、図４のごとく円形状としたが、このレンズ固定部４ｆは、ロッドレンズ３のＸ軸方向、Ｙ軸方向に対称な形状であれば、例えば長円状や、菱形状等でも良い。

本発明の半導体レーザ装置は、レンズ固定台を安価に作成することができるため、半導体レーザモジュールを低コスト化することが可能であり、半導体レーザ光を直接加工に使用するレーザ装置や半導体レーザ光を励起光とするレーザ装置などに有用である。

１ 半導体レーザ素子
１ａ レーザ光出射部
２ ヒートシンク
３ ロッドレンズ
４ レンズ固定台
４ａ 基台固定部
４ｂ 固定腕
４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ レンズ固定部
５ 接着剤
６ ファイバアレイ
７ 基台
８，９，１０ 矢印

Claims (17)

1. 基台と、この基台上に配置された半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子のレーザ光出射部に、そのレーザ光入射側が対向配置されたコリメートレンズと、このコリメートレンズのレーザ光出射側に対向配置されたレーザ光伝送体とを備え、前記コリメートレンズは、鉄とニッケルを含む合金で形成されたレンズ固定台を介して、前記基台上に固定された構成の半導体レーザ装置。
2. レンズ固定台は、このレンズ固定台を、基台に固定するための基台固定部と、このレンズ固定台に、コリメートレンズを固定するためのレンズ固定部とを有する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. レンズ固定台の基台固定部を、基台に、非光硬化型の接着剤を用いて接着固定した請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. レンズ固定台の基台固定部を、基台に、ネジを用いてネジ固定した請求項２に記載の半導体レーザ装置。
5. レンズ固定台の基台固定部を、基台に、ロウ剤を用いてロウ付け固定した請求項２に記載の半導体レーザ装置。
6. レンズ固定台の基台固定部を、基台に、溶接固定した請求項２に記載の半導体レーザ装置。
7. レンズ固定台のレンズ固定部は、凹形状とし、この凹部内に、コリメートレンズの一部を、この凹部内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このコリメートレンズ外表面と、前記凹部内壁面との間には接着剤を介在させた請求項２から６のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
8. レンズ固定台のレンズ固定部は、基台に対して直交する方向に開口部を有する請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. レンズ固定台のレンズ固定部は、基台に対して平行方向に開口部を有する請求項７に記載の半導体レーザ装置。
10. レンズ固定台のレンズ固定部は、貫通孔により形成し、この貫通孔内に、コリメートレンズの一部を、この貫通孔内壁面とは非接触状態で配置するとともに、このコリメートレンズ外表面と、前記貫通孔内壁面との間には接着剤を介在させた請求項２から６のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
11. レンズ固定台は、インバー合金により形成した請求項１から１０のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
12. 半導体レーザ素子は、ヒートシンクを介して基台上に配置した請求項１から１１のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
13. 基台と、この基台上に配置された半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子のレーザ光出射部に、そのレーザ光入射側が対向配置されたコリメートレンズと、このコリメートレンズのレーザ光出射側に対向配置されたれレーザ光伝送体とを備え、前記コリメートレンズは、鉄とニッケルを含む合金で形成されたレンズ固定台を介して、前記基台上に固定された構成の半導体レーザ装置の製造方法であって、前記基台上に前記レンズ固定台を固定する第１のステップと、前記第１のステップの後に前記レンズ固定台と前記コリメートレンズとを固定する第２のステップとを、備えた半導体レーザ装置の製造方法。
14. 第２のステップにおいて、レンズ固定台を、基台上に、非光硬化型接着剤により接着固定する請求項１３に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
15. 第２のステップにおいて、レンズ固定台を、基台上に、ネジを用いてネジ固定する請求項１３に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
16. 第２のステップにおいて、レンズ固定台を、基台上に、ロウ剤を用いてロウ付け固定する請求項１３に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
17. 第２のステップにおいて、レンズ固定台を、基台上に、溶接固定する請求項１３に記載の半導体レーザ装置の製造方法。

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