JP2014187407A - 光源装置、及び光源装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内における硫酸イオン量を低水準に保つことにより、硫酸アンモニウムの光学部品への付着を防ぐことのできる光源装置を提供すること。
【解決手段】光源装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を処理する光学部品と、光学部品を収納する、または光学部品が取り付けられる筐体とを備え、光学部品及び筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、筐体は、硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を切削することにより形成され、材料は、黄銅、アルミニウム、チタン、セラミックス、または樹脂であり、材料が表面に露出している。
【選択図】図１

Description

この発明は、光学部品の白濁を防止した光源装置、及び光源装置の製造方法に関するものである。

従来の光源装置として、半導体レーザ素子から出射したレーザ光を光ファイバで伝送するものがある。半導体レーザ素子から出射したレーザ光を光ファイバに導光するために、半導体レーザ素子から出射したレーザ光をまず光学レンズにより平行光とし、この平行光を光ファイバの特性（ファイバ径、ＮＡ（開口数））に合わせた適切な焦点距離を有する集光レンズにより集光することによって光ファイバに入射させる。ここにおいて、特に紫外線の波長領域（４００ｎｍ以下）では、１光子あたりのエネルギーが一般的な化学結合に相当する程のオーダ（３ｅＶ以上）となる。このような短波長の光は空気中の不純物を励起、解離させやすいので、光によって励起、解離された不純物は周辺の光学部品に付着し透過率を低下させ、光学部品に入射したレーザ光の光学波面を乱す等の悪影響を与える。このような課題が工業的に最初に大きくクローズアップされたのはいわゆる大規模集積回路（超ＬＳＩ）の製造工程において導入された、シリコン基板上に微細な回路パターンを転写する露光装置である。同装置では回路パターンの微細化に対応して、順次水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦレーザ（同２４８ｎｍ）、ＡｒＦレーザ（同１９３ｎｍ）と波長の短い光源が適用されてきた。ここにおいて代表的な生成物として、空気中に極微量存在する二酸化硫黄（ＳＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の物質が空気中の酸素（Ｏ_２）、および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と反応して以下の反応式のように硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４）を形成することが知られている。形成された硫酸アンモニウムは、光学部品に付着することで光学部品の透過率を減少させる。
２ＳＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２ＳＯ_４ ・・・（１）
２ＮＨ_３＋Ｈ_２ＳＯ_４ → （ＮＨ_４）_２ＳＯ_４ ・・・（２）
紫外光線では上記（１）に示される反応系においてＳＯ_２を活性化し、反応を促進すると考えられており、波長が短い光源ほど形成物の光学部品への付着速度に及ぼす影響が顕著である。

この改善策として次のようなものがある。光学レンズの温度を硫酸アンモニウムの昇華温度（分解温度）である１２０℃以上に設定し、硫酸アンモニウムの付着を抑制する（例えば、特許文献１参照。）。また、二酸化硫黄を活性化させる光に対する反射率を小さくした反射部材を用いて、二酸化硫黄の活性化を抑制する（例えば、特許文献２参照）。また、例えばドライエアー、不活性ガス（Ｎ_２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等）を光学部品の前面に流してエアーカーテンを形成し、反応系を構成するガス成分である二酸化硫黄、アンモニア、水蒸気を除去する（例えば、特許文献３参照）。また、前記特許文献３の改善策に対して、ガスの流し方を工夫し、効果的に不純物ガスを光学部品周辺から除去する（例えば、特許文献４参照）。また、レーザ光を光ファイバに入射させる光学系において、半導体レーザ素子、およびそれを平行化する光学レンズを気密封止することにより、不純物ガスから半導体レーザ素子、および光学部品を隔離する（例えば、特許文献５参照）。また、散乱光を抑制するために鏡筒に施される黒メッキ処理に関し、メッキ液に含まれる硫酸イオンを抑制するため、硫酸イオンをモニターしつつ湯洗時間を管理し、硫酸イオンを規定量以下に抑える（例えば、特許文献６参照）。

特許第３２６６１５６号公報（第４頁、第１図） 特許第３３０９８６７号公報（第８頁、第１図） 特許第３４４８６７０号公報（第１１頁、第１図） 特開２００４−２５９７８６号公報（第９頁、第１図） 特開２００４−２５３７８３号公報（第１３頁、第１図） 特開２００３−３０６７９８号公報（第９頁、第１図）

特許文献１〜６においては、光学部品の白濁を防止するために様々な方法が採られているが、光源装置を構成する部品内に成分として含まれる硫黄成分に対する対策はなされていなかった。しかし、後述する試験で示すように、部品内に成分として含まれる硫黄成分は部品外に出てくる。そのため、先行文献１〜６の装置では、部品から出てきた硫黄成分によって装置内における硫酸イオン量が増加し、光学部品に硫酸アンモニウムが付着しやすくなってしまうことについて考慮されていない。

そこで、本願発明は、装置内における硫酸イオン量を低水準に保つことにより、硫酸アンモニウムの光学部品への付着を防ぐことのできる光源装置を提供することを目的とする。

本願発明に係る光源装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を処理する光学部品と、光学部品を収納する、または光学部品が取り付けられる筐体とを備え、光学部品及び筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、筐体は、硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を切削することにより形成され、材料は、黄銅、アルミニウム、チタン、セラミックス、または樹脂であり、材料が表面に露出している。

本願発明は、装置内における硫酸イオン量を低水準に保つことにより、硫酸アンモニウムの光学部品への付着を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１に係る光源装置を示す構成図である。 材料によってレセプタクルに付着しているイオン量の違いを説明する図である。 材料によってフェルールに付着しているイオン量の違いを説明する図である。 材料によって第２の鏡筒内面に付着しているイオン量の違いを説明する図である。 各洗浄工程においてフェルールに付着しているイオン量を説明する図である。 ファイバの入射端面に付着した硫黄（Ｓ）、および窒素（Ｎ）の相対量を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る光源装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係る光源装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係る光源装置の他の実施例を示す構成図である。 この発明の実施の形態５に係る光源装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態６に係る光源装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態７に係る光源装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態８に係る光源装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光源装置を示す構成図である。光源である半導体レーザ素子（以下、ＬＤ）１は出射口１ａからレーザ光２を出射する。平行光化部である第１のレンズ３はレーザ光２を平行化する。保持部である第１のホルダ４は第１のレンズ３を保持する。第１の鏡筒５はＬＤ１、第１のレンズ３等を収納する。集光部である第２のレンズ６はレーザ光を集光する。保持部である第２のホルダ７は第２のレンズ６を保持する。第２の鏡筒８は第２のレンズ６を収納する。光ファイバ９はコア部９ａ及びクラッド部９ｂから構成され、入射端面９ｃから入射したレーザ光を導光する。レセプタクル１０は光ファイバ９の受光位置を固定する。フェルール１１は光ファイバ９の先端部に装着され、レセプタクル１０に挿入されることで光ファイバ９を固定する。第２のレンズ６により集光されたレーザ光の一部は、入射端面９ｃ、レセプタクル１０等により反射及び散乱され、反射・散乱光１２となる。第２の鏡筒８が、光学部品を収納する筐体である。なお、筐体としては、光学部品が取り付けられるものでもよい。

上記の構成において、少なくとも第２の鏡筒８はその構成成分として硫黄成分を含まない素材部品（アルミニウム、黄銅、もしくはチタン等の金属材料、セラミックス、またはＡＢＳ樹脂、ナイロン、ポリカーボネイト、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニール等の樹脂材料で不純物として硫黄成分を含まないもの）で構成されている。なお、ここで硫黄成分を含まないとは、その素材部品における硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下であることをいう。その素材部品における硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下であるかどうかは、例えば、その素材部品を０．２Ｍｐａの加圧下純水中１２０℃で４時間煮込んだ後に、イオンクロマトグラフィで分析することによって確認することができる。

次に光源装置の動作について説明する。ＬＤ１から出射されたレーザ光２は、第１のレンズ３の焦点距離位置にＬＤ１の出射口１ａを設置することによりほぼ平行化されたレーザ光に変換される。平行化されたレーザ光２は第２のレンズ６により集光される。光ファイバ９の入射端面９ｃを第２のレンズ６の焦点近傍に設置することにより、レーザ光２は光ファイバ９に導光される。光ファイバ９に入射したレーザ光は、クラッド部９ｂとの境界面にて全反射を受けながらコア部９ａ中を伝播する。ここにおいてレセプタクル１０は第２の鏡筒８に固定されており、光ファイバ９はフェルール１１をレセプタクル１０に挿入・固定することにより、その入射端面が第２のレンズ６の焦点近傍位置にくるように固定されている。

上記のような光源装置においては、レーザ光２は入射端面９ｃ近傍で集光するが、入射端面９ｃよりも広く広がったレーザ光は漏れ光として、レセプタクル１０およびフェルール１１等に直接照射されることになる。また、レセプタクル１０およびフェルール１１等からの比較的強い反射・散乱光が入射端面９ｃ周辺に位置する部材の表面に照射されることになる。

レーザ光が照射されるこのような部材の表面に、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）及びアンモニアイオン（ＮＨ_４ ^＋）等が付着していると、これらイオンが周辺に存在する水分に溶け込んだ状態で照射された光によって活性化されることで、入射端面９ｃ近傍において硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４）が形成される。形成された硫酸アンモニウムが入射端面９ｃに付着し、それを核としてその上に硫酸アンモニウムの結晶が成長していくと考えられる。入射端面９ｃに硫酸アンモニウムが付着すると光ファイバ９に対するレーザ光の入射が妨げられ、結果として光ファイバ９での伝送効率が低下し、光ファイバ９から出射するレーザ光が抑制される。

図２〜図４に、レセプタクル１０、フェルール１１、及び第２の鏡筒８に対する硫酸イオン、アンモニアイオンの付着量（μｇ／個）を示す。同データは、光源装置に適用する前の各部品を個々に純水中で４時間に渡り煮沸し、その液をクロマトグラフィー法により定量分析したものである。各図中には、本実施の形態に対応する実施例との比較対象として比較例も合わせて示している。

図２にレセプタクル１０として、ニッケルメッキを施した黄銅削り出し材（比較例１）、ニッケルメッキを施していない黄銅削り出し材（実施例１）、ＳＵＳ３０３削り出し材（比較例２）、ＳＵＳ３０４削り出し材（比較例３）をそれぞれ使用した場合のデータを示す。ニッケルメッキを施した比較例１では、硫酸イオン０．３８〜０．４６μｇ／個、アンモニアイオン０．２３〜０．３０μｇ／個の分析値が得られた。実施例１では、硫酸イオン０．０５μｇ／個未満、アンモニアイオン０．０６〜０．１０μｇ／個の分析値が得られた。比較例２のＳＵＳ３０３では硫酸イオン６２〜８７μｇ／個、アンモニアイオン０．０５未満〜０．１７μｇ／個の分析値が得られた。比較例３のＳＵＳ３０４では硫酸イオン１．８〜１．９μｇ／個、アンモニアイオン０．１２〜０．１６μｇ／個の分析値が得られた。

ＳＵＳ材料で硫酸イオンの値が大きくなった理由は、その素材中に含まれている硫黄成分が、その素材表面から純水に溶け込んだためと考えられる。ＪＩＳ規格によれば、ＳＵＳ３０３には０．１５％（１５００ｐｐｍ）以下程度の硫黄成分が含まれており、ＳＵＳ３０４には０．０３％（３００ｐｐｍ）以下程度の硫黄成分が含まれていることから、これらの硫黄成分の含有量の違いが、硫酸イオン量の相違となって現れたと考えられる。素材を構成する一部の成分として硫黄成分を含有しているだけで、付着物として検出されるという事実は従来知られていない内容と考えられる。従来知られていなかった根拠としては、例えばＷＯ２０００／０４２６３９のような、硫酸アンモニウム抑制の観点からＳＵＳ材料を使うことを規定した文献が挙げられる。以上より、光源装置の駆動時間を３０００時間確保するためには、上記のように、基本的素材における硫黄成分の含有量はＳＵＳ３０４よりもさらに１桁少ない３０ｐｐｍ（０．００３％）以下とすることが必要要件であると考えられ、光源装置の駆動時間を３万時間確保するためには、５ｐｐｍ以下とすることが必要要件であると考えられる。なお、レセプタクル１０においてもニッケルメッキを施さない黄銅の削り出し材を使用した場合には、硫酸イオン量で０．０５μｇ／個が検出されるに留まっている。なお、図２に実施例１として示す黄銅削り出しのレセプタクル１０は、後述する洗浄方法により、塩素及びアセトンによって洗浄が行われたものである。また、ニッケルメッキを施した比較例１は、素材部品中に含まれている硫黄成分は少ないものの、硫酸イオンの分析値は高い水準となった。このことから、実施例１のように、黄銅素材そのものを使い、かつ、ニッケルメッキなどの表面処理を行わず表面を露出させることが必要であることが分かった。

図３から明らかなように、ニッケルメッキされた黄銅削りだしのフェルール１１（比較例４）の分析データでは、硫酸イオン０．１２〜１２μｇ／個、アンモニアイオン０．０５未満〜４．６μｇ／個とばらつきの大きなデータとなっている。これはニッケルメッキを行う工程において硫酸ニッケル、およびアンモニアイオンが入った溶液が使われており、そのメッキ液が洗浄しきれず残留するためにある。ここで使用しているフェルール１１が取り付けられる光ファイバ９のコア部９ａ、クラッド部９ｂの寸法は数百μｍ〜１ｍｍオーダであるため、超音波等を使ってフェルール１１を洗浄してもメッキ液が十分に洗浄できない場合があり、ばらついた値になったものと考えられる。フェルール１１の光ファイバ９を透過させる穴、もしくは凹凸形状が形成された側面部に対してはメッキ液等の処理剤が残る可能性があり、全ての部品に対して処理剤を除去し、除去できたことを確認することは、コスト的な面も含め現実的には困難である。なお、比較例４において付着した硫酸イオン量の最小値が０．１２と比較例１に対し減少しているのは、フェルール１１の表面積がレセプタクル１０よりも小さいためである。一方、ニッケルメッキをすることなく、黄銅素材そのものを使った実施例２は、硫酸イオン量は０．０５未満〜０．０７μｇ／個、アンモニアイオン量は０．０６〜０．１２μｇ／個であり、いずれのイオン量もニッケルメッキを行ったものよりも低い水準となった。

図４は第２の鏡筒８として、アルミダイキャストＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格）を使用した比較例５と、アルミ素材Ａ５０５２（ＪＩＳ規格）の削り出し材を使用した実施例３における分析結果である。第２の鏡筒８の材料としてアルミダイキャストを使用した比較例５の結果では硫酸イオン量は０．２８〜０．６０μｇ／個、アンモニアイオン量は０．５８〜０．８０μｇ／個の値が検出されている。強い反射・散乱光が当る部分の面積は全体の面積の約１／３であるので、強い反射・散乱光が当る部分についてだけ考えるとこの１／３の値である硫酸イオン０．１〜０．２μｇ／個、アンモニアイオン０．２〜０．３μｇ／個のオーダにあると考えられる。ダイキャスト部品において硫酸イオンが検出されるのは、その製造工程において部品を鋳造型から離すための離型剤に硫酸イオンが入っているためであることが今回判明した。逆に、離型剤、およびダイキャスト構成材料に硫酸イオンが入っていなければ、量産においてコスト的に有利なダイキャスト製法を適用できることがわかった。

図４において、アルミダイキャストに代わる材料としてアルミの削り出し材を適用した実施例３の場合には硫酸イオン量は０．１μｇ／個未満となっている。また、アンモニアイオン量は０．４２〜０．６４μｇ／個となっている。強い反射・散乱光が当る部分についてだけ考えるとこの１／３の値である硫酸イオン０．０３μｇ／個、アンモニアイオン０．１４〜０．２１μｇ／個程度のオーダになると考えられる。第２の鏡筒８はレセプタクル１０等に比べて表面積が相対的に大きいにも係わらずその値が小さな値となっているのは、その表面形状において突起等がなく、硫酸イオン等が付着した場合においても洗浄により比較的容易に洗い落とすことができるためと考えられる。

以上、図２〜４に示す試験結果から、各素材部品に対する硫酸イオン、アンモニアイオンの付着量は、現実的に量産レベルで確実に達成可能な値、すなわち、硫酸イオン量０．１μｇ／個以下、アンモニアイオン量０．２μｇ／個以下を目標とすることした。なお、第２の鏡筒８についてのこの目標値は、第２の鏡筒８の半径が１．４６ｃｍの円筒でその高さが３．９４ｃｍであり、円筒内表面積は円筒断面積と円筒部表面積との和から４２．８４ｃｍとなるため、硫酸イオン量及びアンモニアイオン量をそれぞれ円筒内表面積で割った硫酸イオン規定量２．３ｎｇ／ｃｍ^２以下、アンモニアイオン規定量４．７ｎｇ／ｃｍ^２以下として表すことができる。

図５は黄銅を削り出して（切削して）形成したフェルール１１の洗浄工程を検討した結果であり、切削直後（比較例６）、塩素系溶剤により洗浄した後（比較例７）、およびアセトン洗浄を行った後（実施例４）の、フェルール１１に付着している硫酸イオンの量およびアンモニアイオンの量について示している。

塩素系溶剤としては、ジクロロメタン（ＣＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロエタン（Ｃ_２ＨＣｌ_３）等を用いる。塩素系溶剤による洗浄は３層洗浄法により行う。例えば、溶剤蒸気中に冷やした洗浄物を設置し表面で液化する蒸気槽と、蒸気槽で蒸留された液が流れ込む冷浴槽と、冷浴槽からオーバーフローした液が流れ込む前洗浄槽とを用意する。そして、前洗浄槽（１槽目）で上下振動による洗浄を３０秒〜６０秒（例えば４０秒）行い、１５±１０℃に保った冷浴槽（２槽目）で４５ｋＨｚ超音波洗浄を３０秒〜６０秒（例えば４０秒）行い、４３℃以下に保った蒸気槽（３槽目）で蒸留された液による洗浄を３０秒〜６０秒（例えば４０秒）行う。特に蒸気槽では、蒸気中には不純物を含まないため、常にきれいな液で部品の表面を洗浄できる。なお、各槽の温度は上記の温度に限られるものではなく、使用する溶剤によって変更することができる。アセトン洗浄は、洗浄する部品をアセトンの入ったビーカ中を沈め、２２〜５０ｋＨｚ程度の周波数で５分〜３０分超音波洗浄することにより行う。

切削直後の比較例６では、硫酸イオン量２．２〜２．８μｇ／個、アンモニアイオン量０．１２〜０．１４μｇ／個が検出された。この時点において硫酸イオン量が高いのは、切削油中に含まれる硫黄成分がフェルール１１に付着しているためである。この硫黄成分を取り除くために塩素系溶剤で洗浄した結果、比較例７では硫酸イオン量を０．１１〜０．１５μｇ／個と１桁下げることができているが、アンモニアイオン量はほとんど変わっていない。図５において塩素系溶剤での洗浄の後、さらにアセトンによる洗浄を実施することにより各イオン量は半減しているので、アセトンによる洗浄を追加して実施することが有効であるとわかる。このように、望ましい洗浄レベルとして硫酸イオン０．１μｇ／個以下、アンモニアイオン０．２μｇ／個を設定する時、追加洗浄が有効である。

なお、上記の洗浄工程では塩素系溶剤による結果を示しているが、塩素系溶剤の代りに臭素系溶剤を使った時にも同様の効果がある。また、追加洗浄剤としてアセトンに限らずメタノールやエタノールなどのいわゆるアルコールや、純水で洗浄することも有効である。

また、上記の洗浄工程を検討した試験結果から、硫黄成分を含有しない素材部品を使った場合に、硫酸イオンが付着する主因は素材部品の加工工程における切削油、研磨剤等の付着によるものであることが明らかになった。これら加工工程において硫黄成分を含まない処理剤を使用するのであれば、切削直後の結果において硫酸イオン量を１桁小さくすることができる。この際は追加の洗浄を行わなくても確実に目標とする硫酸イオン量０．１μｇ／個以下、アンモニアイオン量０．２μｇ／個を達成することができる。

次に、ニッケルメッキを施したフェルール１１およびレセプタクル１０とアルミダイキャストを使った第２の鏡筒８とを有する光源装置（従来品）と、フェルール１１およびレセプタクル１０に黄銅削り出し材を用い、第２の鏡筒８にアルミ削り出し材を用いた光源装置（改善品）とに対し、入射端面９ｃへの硫酸イオンおよびアンモニアイオンの付着を抑制する観点から行った比較試験の結果を示す。試験は、ＬＤ１として波長４３０−４５０ｎｍの青色領域で発光する光源を用い、２４０時間に渡りレーザ平均出力約１Ｗ、集光径約１５０μｍ、で照射する条件で行った（平均エネルギー密度は約５．６ｋＷ／ｃｍ^２）。図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、従来品および改善品の入射端面９ｃに付着した硫黄成分、及びアンモニア成分を蛍光Ｘ線分析により分析し、光ファイバ９の表面から検出されるシリコン（Ｓｉ）に対する相対強度として表した結果である。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す結果から明らかなように、ニッケルメッキおよびダイキャストを使った従来品は、硫黄成分、アンモニア成分の相対値が各々０．１付近またはそれ以上のレベルで検出されているのに対し、付着量が管理された削り出し素材を使った改善品では各々０．０１以下であり、実質検出限界以下の値が得られた。

引き続き、従来品、および本発明を適用した光源装置において６，０００時間を越える連続通電を実施した。従来品では明らかに入射端面９ｃに硫酸イオン付着による曇りが観察され光ファイバ９を透過する出力が減少したのに対し、アルミ削り出しの第２の鏡筒８を用いた改善品では入射端面９ｃでの付着・曇りは観察されず、光ファイバ９の伝送特性も変化しないことが確認された。なお、光源装置を構成する光学部品への付着量の見積もりでは、光源から出力されるレーザ光の平均エネルギー密度（約５．６ｋＷ／ｃｍ^２）の１／５０である１００Ｗ／ｃｍ^２程度以上であれば付着が検出されることがわかった。

改善品に対し、レセプタクルのみをＳＵＳ３０４に変更して７０時間の連続通電を実施した。この改善品では、入射端面９ｃにおける付着物・曇りが観察された。このことから、素材の構成成分として硫黄成分を含む場合は硫酸イオンが入射端面９ｃに付着することが確認された。

なお、特開２００４−２５３７８３号公報では周囲の不純物ガスに触れないように光学系、およびファイバの入射面を希ガス、窒素、ドライエアー等の不活性ガスにより気密封止することが提案されているが、構成材料に付着するような微量なイオンによる汚染が問題になるような系ではむしろ逆効果であり、意図的に気密封止せず、気密封止しない程度の、通常の組み立てにより存在する隙間のある系が望ましい。

また、紫外の波長領域のレーザ光を出射する光源装置での従来の主な課題は、雰囲気中に存在するＳＯ_２、またはＮＨ_３を取り除くことであり、光学部品周囲の不純物ガスを気密封止、ガスフロー等により希ガス、Ｎ_２、ドライエアー等の不活性ガスに置換する、もしくは真空引きする等の手段が取られている。しかしながら４００ｎｍ〜７８０ｎｍの可視領域の光は、一般的な化学結合エネルギーより小さな光子エネルギーを有しているため、平均出力がワットクラスの小出力領域では基本的に不純物ガスを解離する能力はなく、いわゆる空気中に存在する不純物ガスの影響は紫外線領域（４００ｎｍ以下）に比べ圧倒的に少ないと考えられる。このような波長領域では、光学部品を構成・保持する部品、もしくはその周辺部品が含有する硫黄成分、もしくは付着する硫酸イオン、アンモニアイオンの影響が大きいと考えられる。従って、実施の形態１に係る光源装置は、可視領域の光を出射する光源の場合に特に有効である。

また、実施の形態１においては、レセプタクル１０及びフェルール１１に対してニッケルメッキをしないことにより硫酸イオン量を低減できることを説明したが、ニッケルメッキのほか、アルマイト処理や、化成処理等の表面処理も行わずに、素材が露出しむき出しになっていることが望ましい。

実施の形態１に係る光源装置によれば、比較的高い光密度の光が入射する光学部品、それを保持する部品および筐体、もしくは入射面からの反射光・散乱光を受ける周辺の光学部品について、硫黄成分を含まないようにし、かつ硫酸アンモニウムを構成する硫酸イオン、アンモニアイオンの付着量を規定値以下に抑制したので、光学部品に対する硫酸アンモニウム付着を抑制し、保守レスの状態で一定な光学透過特性、散乱特性を確保し、長期に渡り動作を安定させ、信頼性を高くすることができる。

実施の形態２．
図７は実施の形態２に係る光源装置を示す図である。実施の形態１においては、フェルール１１、レセプタクル１０、および第２の鏡筒８について、ニッケルメッキ、アルマイト処理、およびダイキャスト等を使用せず、黄銅等の硫黄を含まない材料により構成する例について説明したが、図７においては、第１のレンズホルダ４ａ、第２のレンズホルダ７ａ、および第１の鏡筒５ａも、基本的にメッキ、アルマイト処理、ダイキャスト等は使わずアルミ、黄銅等の硫黄成分を含まない材料により構成されている。図７において、図１と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。

基本的には、レーザ光が集光される入射端面９ｃの周辺の部材、すなわち照射されるレーザ光の光密度が高い部材に対して硫黄成分を含まない材料を使用することが必須となるが、入射端面９ｃに曇りが発生するまでに要する時間を相対的に伸ばそうとする時は、費用対効果を考えつつ、他の構成部品も硫黄成分を含まない材料で形成する必要がある。特に、ＬＤ１の出力が１０Ｗを超えるような系では、第１のレンズ３および第２のレンズ６においても照射されるレーザ光のエネルギー密度が高い。そのため、全ての部品に対して硫黄成分を含まない材料を使うことが望ましい。

無論一部の部品に対しメッキ品、ダイキャスト品、アルマイト処理品使う場合にも、何らこの実施の形態２の有効性を妨げるものではなく、メッキ、アルマイト処理、ダイキャスト等は使わずアルミ、黄銅等の硫黄成分を含まない材料に従来の構成から置き換えた分だけ、硫酸イオン量、あるいはアンモニア量を抑制でき、入射端面９ｃ、もしくは他の光学部品に対する付着までの時定数が延び、光源装置の出力を安定させ、信頼性を向上させることができる。

実施の形態３．
図８はこの発明の他の形態を示す構造図である。図８において図１の構成と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。ＬＤホルダ１３はＬＤ１を保持している。

図８において、第１のレンズ３、および第１のホルダ４は第２の鏡筒８中に設置されている。また、ＬＤ１はＬＤホルダ１３に保持されている。このように、第２のレンズ６、第１のレンズ３が同じ第２の鏡筒８に入っていても、この発明に含まれる。基本的には第２の鏡筒８、レセプタクル１０、フェルール１１等の、照射されるレーザ光の光密度が強い入射端面９ｃ周辺の部材が少なくとも、メッキ、アルマイト処理、ダイキャスト等は使わずアルミ、黄銅等の硫黄成分を含まない材料により構成されていることがポイントとなる。

また、ＬＤ１はＬＤホルダ１３に保持されている構造として記載しているが、実際にはレーザ光２の光軸を第１のレンズ３、第２のレンズ６の光軸と調整する必要がある場合があり、このような場合にはＬＤ１をＬＤホルダ１３に対して移動させることにより光軸を調整する光軸調整系が必要となる。さらに図８ではＬＤ１がＬＤホルダ１３をつき抜ける構造としているが、図９に示すようにＬＤホルダ１３上に設置する構造とすることもできる。

実施の形態４．
図１、図７、図８、および図９では、第１のレンズ３、第２のレンズ６を各々１枚のレンズで構成しているが、現実の設計においては必要な光学系のパワーの確保と光学的な収差抑制の両立の観点から各レンズを２枚以上の複数のレンズを組み合わせて構成することもできる。このように構成した場合においても、レーザ光が照射されることにより入力エネルギー密度が高い部材を、メッキ、アルマイト処理、ダイキャスト等は使わずアルミ、黄銅等の硫黄成分を含まない材料により構成することにより、光学部品の曇りを抑制することができる。

実施の形態５．
図１０はこの発明の別の実施形態に係る光源装置を示す構成図である。図１０において、図１と同一または対応する構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。図１０において、ＬＤ１は複数個設けられており、第１のレンズ３も各ＬＤ１に対応して複数個設置されており、複数のＬＤ１は第１の鏡筒５ｂに設置されている。

次に、図１０に示す光源装置の動作について説明する。第１の鏡筒５ｂには複数のＬＤ１が設置され、各ＬＤ１から出射されるレーザ光２の光軸は第２のレンズ６、複数の第１のレンズ３に対して設計の許容値内においてほぼ平行に設置されている。このように設置された系では各ＬＤ１から出射されたレーザ光２は概ね第２のレンズ６の焦点面に集まるので、焦点近傍に光ファイバ９の入射端面９ｃを設置することにより、各ＬＤ１から出射されたレーザ光２を１本の光ファイバ９に入射させることができる。これによりｎ個のＬＤ１を設置すればレーザ光の強度をｎ倍に増大できる。レーザ光の強度をｎ倍に増大させると、同時に入射端面９ｃ周辺の部材に照射されるレーザ光の光密度が増加することになるが、これらの部材をメッキ、アルマイト処理、ダイキャスト等は使わずアルミ、黄銅等の硫黄成分を含まない材料により構成することにより、入射光密度が高い部分における光学部品の曇りを抑制することができる。

実施の形態６．
図１１はこの発明の他の実施の形態に係る光源装置を示す構成図である。図１１において、図１と同一または対応する構成には、同一の符号を付し、説明を省略する。

図１１において、光源装置は、ＬＤ１から出射されたレーザ光２を第１のレンズ３ａにより集光し光ファイバ９に入射させるよう構成されている。この構成は実施の形態１〜５に係る光源装置とはレンズ構成が異なる構成の一例であるが、この例に限らず他のレンズ構成をとることもできる。

実施の形態７．
図１２はこの発明の他の実施の形態に係る光源装置を示す構成図である。図１２において、光源装置は、ランプ光源２０、ランプ光源２０から出射した光を平行化しランプ光２２とするための曲面鏡２１、入射した光を均質化するための導波路２３、導波路２３を保持するための導波路ホルダ２４、導波路２３の出射端面２３ｂを例えば液晶パネル等の表示素子に転写、もしくはリレーするための第３のレンズ２５、および筐体２６から構成される。

図１２のような光源装置は、いわゆるプロジェクション型表示装置の光源として適用されているものである。ここで図１２の動作について説明する。

約１ｍｍ程度の大きさに抑えられたランプ光源２０の発光点から出射された光は、平行光化部である曲面鏡２１により平行光にされる。例えば曲面鏡２１を楕円形状で形成した場合には、光源２０の発光点を楕円形状の焦点におくことで光源２０から出射する光を平行光に近付けることができる。曲面鏡２１から出射したランプ光２２は、第２のレンズ６で集光される。第２のレンズ６焦点近傍に導波路２３の入射端面２３ａを設置することで効率良くランプ光２２を導波路２３に導くことができる。この導波路２３から出射される光は、ランプ光２２の入射広がり角、および導波路２３の断面形状、長さを適切に設計することにより、均質な光とすることができる。均質化された光が出射される出射端面２３ｂを第３のレンズ２５により液晶等の表示装置へ転写、もしくはリレーすることにより、光源装置全体としては、表示装置に対する均質化光源として機能することになる。ここにおいて、導波路ホルダ２４を構成する材料として硫黄成分を含まないアルミニウム、黄銅等の材料を用い、また、硫酸イオン、アンモニアイオンの付着量を管理することにより、入射端面２３ａからの散乱光による硫酸イオン、アンモニアイオン等の発生を抑制することができる。また、光源２０から出射される光の光強度が高い系では、第２のレンズ６、もしくは第３のレンズ２５に対しても硫酸アンモニウム等が付着する可能性がある。このような系においては、各レンズのホルダの他、光源装置を構成する筐体２６などの他の構成部品を、硫黄成分を含まない材料を用いて構成し、硫酸イオン、アンモニアイオンの付着量を管理することにより、第２のレンズ６、もしくは第３のレンズ２５に対しても硫酸アンモニウム等の付着を防ぐことができる。

実施の形態８．
図１３はこの発明の他の実施の形態に係る光源装置を示す構成図である。図１３の光源装置は、例えば波長８０８ｎｍ領域の励起ＬＤ光であるレーザ光２を発する励起用ＬＤ１、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｈｄ：ＹＶＯ４等の固体レーザ結晶３０、レーザ光３５を集光する結合レンズ３１、結合レンズ３１を保持する結合レンズホルダ３２、固体レーザから発生した１０６４ｎｍのレーザ光をその２倍の高調波である５３２ｎｍに変換するＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶等の波長変換結晶３３、波長変換結晶３３を保持する波長変換結晶ホルダ３４、全反射鏡３６、１０６４ｎｍの光を全て反射し、５３２ｎｍに対して透過特性を示す取り出し鏡３７、レーザ光のモードを規定するアパーチャ３８および３９から構成される。光源装置の取り出し鏡３７からは５３２ｎｍのレーザ光４０が出射される。なお、各構成部品は、図示しない筐体内に収納されている。

図１３に示す光源装置の構成は、いわゆる波長変換型のＬＤ励起固体レーザの構成となっている。次に動作について説明する。ＬＤ１から発せられたレーザ光２を固体レーザ結晶３０に照射することにより、固体結晶３０にドープされたＮｄ^３＋が励起され、そのエネルギーは誘導放出により１０６４ｎｍのレーザ光３５として取り出される。波長変換結晶３３の部分では１０６４ｎｍのレーザ光３５は２倍光との位相整合条件を満たすように、入射角度、波長変換結晶の温度等を適切に設定することにより、効率良く５３２ｎｍの緑色光に変換される。全反射鏡３６、および取り出し鏡３７はいわゆる光共振器を構成し、１０６４ｎｍのレーザ発振を行うと共に、取り出し鏡３７からは５３２ｎｍのレーザ光４０が基本的に取り出される。ここから出射される光は、アパーチャ３８、３９により、基本的には単一横モードのレーザ光となっている。

ここにおいて、波長変換結晶３３の部分では波長変換効率を上げる観点から集光された強度の高い緑色の光が発生しているため、少なくとも波長変換結晶ホルダ３４を適切な材料で構成しないと硫酸アンモニウムが波長変換結晶３３の端面に析出することになる。しかし、波長変換結晶ホルダ３４は、硫酸成分を基本的に含有しないアルミニウム、黄銅等を材料としているので、波長変換結晶３３の端面における硫酸アンモニウムの析出を抑制し、安定した波長変換型固体レーザを実現することができる。また、結合レンズ３１を保持する結合レンズホルダ３２は、照射されるレーザ光の光強度が高いので、硫酸成分を基本的に含有しないアルミニウム、黄銅等を材料として形成することで、結合レンズ３１に硫酸アンモニウムが付着するまでの時定数を伸ばすことができる。また、他の光学部品を保持する保持部材についても硫酸成分を基本的に含有しないアルミニウム、黄銅等を材料として形成することで、保持する光学部品に硫酸アンモニウムが付着するまでの時定数を伸ばすことができる。

また、その他光学部品として一般的に使われているフイルタ、分光用の光プリズムなど、照射される光の光密度が高い系に対して、硫酸成分を基本的に含有しないアルミニウム、黄銅等を材料によりその系の構成部品を形成することにより、光学部品への付着物の付着や、光学部品の曇りを防ぐことができることはいうまでもない。

１ 半導体レーザ素子（ＬＤ）、１ａ 出射口、２ レーザ光、３，３ａ 第１のレンズ（平行光化部、光学部品）、４，４ａ 第１のホルダ、５，５ａ，５ｂ 第１の鏡筒、６ 第２のレンズ（集光部、光学部品）、７，７ａ 第２のホルダ、８ 第２の鏡筒、９ 光ファイバ、９ａ コア部、９ｂ クラッド部、９ｃ 入射端面、１０ レセプタクル、１１ フェルール、１２ 反射・散乱光、２０ ランプ光源、２１ 曲面鏡（平行光化部）、２２ ランプ光、２３ 導波路、２３ａ 入射端面、２３ｂ 出射端面、２４ 導波路ホルダ、２５ 第３のレンズ、２６ 筐体。

Claims (9)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を処理する光学部品と、
   前記光学部品を収納する、または前記光学部品が取り付けられる筐体と
   を備え、
   前記光学部品及び前記筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、
   前記筐体は、硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を切削することにより形成され、
   前記材料は、黄銅、アルミニウム、チタン、セラミックス、または樹脂であり、
   前記材料が表面に露出していることを特徴とする光源装置。
2. 前記筐体は、硫黄成分を含まない切削油を用いて切削加工されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記筐体は、塩素系または臭素系の溶剤で洗浄された後、アセトン、アルコール溶液、または純水で洗浄されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記筐体に付着する硫酸イオン量は２．３ｎｇ／ｃｍ^２以下であり、アンモニアイオン量は４．７ｎｇ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を処理する光学部品と、
   前記光学部品を収納する、または前記光学部品が取り付けられる筐体と
   を備え、
   前記光学部品及び前記筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、
   前記筐体は、硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を用いたダイキャストにより形成され、
   前記ダイキャストにおいて使用される金型から前記筐体を離型させる離型剤は、硫黄成分を含まないことを特徴とする光源装置。
6. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射した光を平行光にする平行光化部と、
   前記平行光を集光する集光部と、
   前記集光された光が入射し、入射した光を伝送する光ファイバと、
   前記集光部を収納すると共に、前記光ファイバが取り付けられる鏡筒と
   を備え、
   前記平行光化部、前記集光部、前記光ファイバ及び前記鏡筒に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、
   前記鏡筒は、硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を切削することにより形成され、前記材料が表面に露出していることを特徴とする光源装置。
7. 前記光源から出射する光の波長は４００ｎｍから７８０ｎｍの領域にあることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 光源から出射された光を処理する光学部品を収納する、または前記光学部品が取り付けられる筐体の製造方法であって、
   前記光学部品及び前記筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、
   硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料から前記筐体を削り出すステップと、
   削り出した前記筐体を塩素系または臭素系の溶剤で洗浄した後、アセトン、アルコール溶液、または純水で洗浄するステップと、を有することを特徴とする光源装置の製造方法。
9. 光源から出射された光を処理する光学部品を収納する、または前記光学部品が取り付けられる筐体の製造方法であって、
   前記光学部品および前記筐体に照射される光の平均エネルギー密度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上であり、
   硫黄成分の含有量が重量比において３０ｐｐｍ以下である材料を用いたダイキャストにより前記筐体を形成するステップと、
   硫黄成分を含まない離型剤により、前記ダイキャストにおいて使用される金型から前記筐体を離型させるステップと、を有することを特徴とする光源装置の製造方法。

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