JP2016092319A - 面発光型光源およびレーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＣＳＥＬが備える発光点が熱を発生しても、高い光利用効率を有する。【解決手段】 複数の発光点２４−ｋが配置された発光領域２２と発光領域の周辺にある非発光領域２３と、を有する基板２１と、複数のレンズ３４−ｋと複数のレンズの周辺にある非レンズ領域３３を有するレンズアレイ３と、を備え、基板およびレンズアレイは、複数の発光点と複数のレンズが対応するように、非発光領域および非レンズ領域で直接接着され、レンズアレイの線膨張係数は、基板の線膨張係数以下であることを特徴とする面発光型光源。【選択図】図４

Description

本発明は、面発光型光源およびレーザー装置に関するものである。

面発光型半導体レーザー（以下、「ＶＣＳＥＬ」という。）と、ＶＣＳＥＬからの光束をコリメートするマイクロレンズアレイとにより、高出力な面発光型光源を構成する技術が知られている。

ＶＣＳＥＬは、複数のレンズを配置したレンズアレイに対向している。レンズアレイに入射した光束は、集光光学系を経て光ファイバに入射する。ＶＣＳＥＬにおいて発光点を高密度で配置すると、発光点で発生した熱がレンズアレイに伝達され、レンズアレイが変形することがある。レンズアレイが変形すると、光ファイバに入射する光量が低下する。すなわち、光ファイバにおける光利用効率が低下する。

これまでにも、ＶＣＳＥＬアレイ基板とレンズアレイ基板とを高精度に位置合わせすることを目的として、ＶＣＳＥＬアレイ基板とレンズアレイ基板とを微細加工技術を用いて一体に形成したレーザー加工機用光源が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１で提案されているレーザー加工機用光源は、ＶＣＳＥＬアレイ基板の熱によるレンズアレイ基板の変形については考慮されていなかった。

そこで、ＶＣＳＥＬが備える発光点が熱を発生しても、レーザー装置の光ファイバにおいて高い光利用効率を有する面発光型光源が必要とされている。

本発明は、ＶＣＳＥＬが備える発光点が熱を発生しても、高い光利用効率を得ることができる面発光型光源を提供することを目的とする。

本発明にかかる面発光型光源は、複数の発光点が配列された発光領域と複数の発光領域の周辺にある非発光領域を有する基板と、複数のレンズと複数のレンズの周辺にある非レンズ領域を有するレンズアレイと、を備え、基板およびレンズアレイは、複数の発光点と複数のレンズが対応するように、非発光領域および非レンズ領域で直接接着され、レンズアレイの線膨張係数は、基板の線膨張係数以下であることを特徴とする。

本発明によれば、ＶＣＳＥＬが備える発光点が熱を発生しても、高い光利用効率を得ることができる。

本発明にかかるレーザー装置の実施の形態を示す（ａ）斜視図、（ｂ）縦断面図である。 上記レーザー装置が備えるＶＣＳＥＬの正面図である。 上記ＶＣＳＥＬおよび上記マイクロレンズアレイが構成する、本発明にかかる面発光型光源の実施の形態を示す側面図である。 上記面発光型光源の正面図である。 本発明にかかる面発光型光源の別の実施の形態を示す正面図である。 上記ＶＣＳＥＬからの光束が、前記レーザー装置が備えるマイクロレンズアレイおよび集光レンズに入射する様子を示す光路図である。 上記面発光型光源を出射した光束が、上記レーザー装置が備える光ファイバに入射する様子を示す光学配置図である。 上記光ファイバの断面を示す斜視図である。 上記ＶＣＳＥＬが形成されたＶＣＳＥＬ基板の温度変動がないときの、上記ＶＣＳＥＬから上記集光光学系へ入射する光束の様子を示す光路図である。 上記ＶＣＳＥＬ基板の線膨張係数が上記マイクロレンズアレイの線膨張係数より大きい場合において、上記ＶＣＳＥＬ基板の温度が上昇したときの上記ＶＣＳＥＬから上記集光光学系へ入射する光束の様子を示す光路図である。 面発光型光源の比較例であって、上記ＶＣＳＥＬ基板の線膨張係数が上記マイクロレンズアレイの線膨張係数より小さい場合において、上記ＶＣＳＥＬ基板の温度が上昇したときの上記ＶＣＳＥＬから上記集光光学系へ入射する光束の様子を示す光路図である。 上記ＶＣＳＥＬが５０℃になったときの、上記マイクロレンズアレイのＸＹ方向における変位量を示すグラフである。 上記ＶＣＳＥＬが５０℃になったときの、上記マイクロレンズアレイの光軸方向における変位量を示すグラフである。 上記マイクロレンズアレイの光軸方向における変位の様子を示す模式図である。

●レーザー装置●
以下、本発明にかかるレーザー装置について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザー装置１は、ＶＣＳＥＬ２、マイクロレンズアレイ３、集光レンズ４、光ファイバ５およびハウジング７を備える。ＶＣＳＥＬ２、マイクロレンズアレイ３、集光レンズ４は、ハウジング７の中に収容されている。

図１（ａ）に示すように、ハウジング７は、光ファイバ保持部材１０を備える。光ファイバ保持部材１０は、内径の異なる円筒を接合した形状で、内径の大きい円筒の底部はハウジング７に接合している。内径の小さい円筒は、光ファイバ５を保持している。光ファイバ保持部材１０の内部と、ハウジング７の内部は連通している。

光ファイバ５は、外部のレーザー使用機器、例えばレーザー加工機や、レーザーを利用したエンジン用の点火プラグなどへ接続されている。光ファイバ５は、集光レンズ４を出射した光束を受光し、外部のレーザー使用機器へ伝達する。

ハウジング７の、光ファイバ保持部材１０が接合された面と反対側の面は、熱拡散板６となっている。熱拡散板６の外面には、ペルチェ素子８、およびヒートシンク１２がこの順に接合されている。熱拡散板６は、後に詳述するＶＣＳＥＬ２からの熱をハウジング７の外部に伝達する。熱拡散板６は、銅などの熱伝導性の高い材料からなる。熱拡散板６は、ハウジング７の外側となる面においてペルチェ素子８の吸熱面と隣接していて、ペルチェ素子８によって冷却される。

ペルチェ素子８の放熱面側には、ヒートシンク１２が配置されている。ヒートシンク１２は、ＶＣＳＥＬ２およびペルチェ素子８からの熱を大気中に放熱する。ヒートシンク１２による放熱は、自然対流によって行ってもよいし、送風ファンなどを用いた強制対流を用いてより強い冷却を行ってもよい。外気が十分に低温の場合など、ペルチェ素子８が必要のない場合は、直接ヒートシンク１２で熱拡散板６を冷却してもよい。

図１（ｂ）に示すように、ハウジング７の内側に面する熱拡散板６の面には、ＶＣＳＥＬ２が配置されている。ＶＣＳＥＬ２の光軸方向の前方には、マイクロレンズアレイ３、ＶＣＳＥＬ電極１３、集光レンズ４、光ファイバ５がこの順に配置されている。ＶＣＳＥＬ２から光ファイバ５までの各光学素子は、ハウジング７によって一体的に保持されている。また、ＶＣＳＥＬ２はマウント１１に保持されている。ＶＣＳＥＬ電極１３と熱拡散板６の間には絶縁板１４が配置されている。

図２に示すように、ＶＣＳＥＬ２は、四角形のＶＣＳＥＬ基板２１の上に発光領域２２と非発光領域２３とが形成されてなる。発光領域２２は、直径８．９ｍｍの円形状である。発光点２４−ｋは、発光領域２２の中に、中心間距離が４８μｍで等間隔に多数配置されている。本実施の形態では、約３３６００個の発光点２４−ｋが配置されている。発光点２４−ｋは、それぞれ直径９μｍの円形状である。

図３に示すように、マイクロレンズアレイ３は、複数のレンズ３４−ｋと、複数のレンズ３４−ｋの周辺にある非レンズ領域３３を備える。マイクロレンズアレイ３は、ＶＣＳＥＬ基板２１よりやや小さい四角形状の部材である。複数のレンズ３４−ｋは、例えば焦点距離がｆ＝０．１ｍｍの合成石英製である。

複数のレンズ３４−ｋは、発光点２４−ｋに対応するように配置されている。具体的には、各発光点２４−ｋのＸＹ座標と、マイクロレンズアレイ３が有する複数のレンズ３４−ｋの各面頂点のＸＹ座標とが一致するように貼り付けられている。ここで、ＸＹ平面は、ＶＣＳＥＬ２の光軸方向に垂直な面である。ＶＣＳＥＬ２およびマイクロレンズアレイ３は、面発光型光源２０を構成する。

ＶＣＳＥＬ基板２１およびマイクロレンズアレイ３は、接着剤２５によって接着されている。ＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３は、各発光点２４−ｋのＸＹ座標と、マイクロレンズアレイ３が有する複数のレンズ３４−ｋの各面頂点のＸＹ座標とが一致するように貼り付けられている。すなわち、複数のレンズ３４−ｋの各面頂点は、各発光点２４−ｋの光軸と一致するように設けられている。

各レンズ３４−ｋは、発光点２４−ｋに対向する側が凸面である。各レンズ３４−ｋの凸面を発光点２４−ｋ側に配置することにより、熱変形によるマイクロレンズアレイ３の反りの影響が小さくなるため、温度変動による光利用効率低下を防ぐことができる。なお、光利用効率とは、ＶＣＳＥＬ２の光量に対する、光ファイバ５への入射光量の割合を示す。

ＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３は、非発光領域２３および非レンズ領域３３で接着剤２５により直接接着されている。すなわち、マイクロレンズアレイ３は、発光点２４−ｋに直接取り付けられていない。したがって、マイクロレンズアレイ３は、発光点２４−ｋからの熱が伝達しにくい。

接着剤２５は、一般的に用いられる紫外線硬化樹脂であってもよい。接着剤２５に樹脂を用いることで、ＶＣＳＥＬ基板２１の熱をマイクロレンズアレイ３に伝えにくくすることができる。接着剤２５は、ハンダであってもよい。ハンダは樹脂よりも線膨張係数が小さいため、発光点２４−ｋが発光により発熱してもＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３の間隔が変わりにくくなる。

図４に示すように、接着剤２５は、ＶＣＳＥＬ基板２１の非発光領域２３に配置されている。接着剤２５は、発光領域２２の中心に対して垂直方向および水平方向に対称な位置に４箇所配置されている。本実施の形態においては、発光領域２２の上方、下方、左方、および右方に配置されている。このような配置とすることで、接着剤２５の膨張および収縮によるマイクロレンズアレイ３のＶＣＳＥＬ基板２１に対する傾きを抑えることができる。

図５に示すように、接着剤２５は、四角形のＶＣＳＥＬ基板２１の４つの角の近傍に配置されていてもよい。

接着剤２５は、５箇所以上配置されていてもよい。また、ＶＣＳＥＬ基板２１およびマイクロレンズアレイ３の全周に渡って配置されていてもよい。言い換えれば、全周にわたって接着することで、マイクロレンズアレイ３でＶＣＳＥＬ２を封止してもよい。

図６は、発光点２４−ｋのうち、発光点２４−１、発光点２４−２および発光点２４−３から出射した光がマイクロレンズアレイ３を通る様子を示す。発光点２４−１は、発光領域２２の中心に配置されている。発光点２４−２および２４−３は、発光点２４−ｋのうち発光点２４−１の最も近くに配置された２点である。発光点２４−１〜２４−３から出射した光束は、それぞれレンズ３４−１〜３４−３に入射する。

発光点２４−１〜２４−３からの光束はレンズ３４−１〜３４−３によってコリメートされる。マイクロレンズアレイ３の焦点距離がｆ＝０．１であり、発光点２４−１〜２４−３の直径が１０μｍであることから、コリメート後の光束は完全には平行光束とはならず、緩い発散光束となる。

図７に示すように、マイクロレンズアレイ３によってコリメートされて出射された光束は、集光レンズ４によって集光され、光ファイバ５の光入射端に集光される。集光レンズ４は、集光光学系の例である。集光レンズ４は、例えばガラスモールド非球面レンズである。

図７および図８に示すように、光ファイバ５は、コア５１と、コア５１の周辺を覆うクラッド５２を備える。光ファイバ５は、単一のシングルコアファイバであり、ＶＣＳＥＬ２からの光束は全て同一のコア５１に入射する。光ファイバ５は、コア５１とクラッド５２の間の屈折率の差による全反射によって光束を伝送する。したがって、光ファイバ５には、全反射が起こるような入射角（以下、「ファイバＮＡ」ともいう。）で光束が入射する必要がある。

ファイバＮＡが決まっているため、光ファイバ５に入る光線入射角の中で最も大きな角度をファイバＮＡで決められた角度よりも小さい角度で入射させる必要がある。本実施の形態における光ファイバ５のファイバＮＡは０．３９であり、取り込める角度は±２２．９度である。したがって、各光学素子は、光ファイバ５への入射角が±２２．９度以下になるように配置されている。

本実施の形態における各光学素子、すなわち光学系の位置は、それぞれ表１のようになっている。Ａ１は各発光点２４−ｋの直径、Ａ２は各発光点２４−ｋの間隔、Ａ３は発光領域２２の直径、Ａ４はコア５１の直径を示す。

ｄ１は、ＶＣＳＥＬ２からマイクロレンズアレイ３までの距離、ｄ２はマイクロレンズアレイ３の肉厚を示す。ｄ３はマイクロレンズアレイ３から集光レンズ４の入射面までの距離、ｄ４は集光レンズ４の厚さ、ｄ５は集光レンズ４の出射面から光ファイバまでの距離を示す。

全系の光学系倍率は１５３倍である。光ファイバ５上のビームスポット径は、発光点２４−ｋの大きさＡ１と倍率の積で概略求めることができる。本実施の形態におけるビームスポット径は、φ９μｍ×１５３＝１．３８ｍｍであるのに対し、コア５１のコア径Ａ４は１．５０ｍｍと大きくなっている。

すなわち、本発明にかかるレーザー装置は、各発光点２４−ｋの直径をＡ１、全系倍率をｍ、コア５１の直径をＡ４としたときに、Ａ１×ｍ＜Ａ４を満足する。このようなコア径の光ファイバ５を使うことによって、高い光利用効率を得ることができる。

表２は、本実施の形態におけるＶＣＳＥＬ基板２１、マイクロレンズアレイ３および接着剤２５の線膨張係数を示す。ＶＣＳＥＬ基板２１に比べ、マイクロレンズアレイ３は１桁程度線膨張係数が少ない材料でできている。すなわち、マイクロレンズアレイ３は、ＶＣＳＥＬ２の発熱に対して膨張量が少ない。

●面発光型光源の構成と光利用効率の関係
図９に示すように、面発光型光源２０が室温と同等の温度である場合、面発光型光源２０から出射した光束は緩い発散光束４１となっている。各発光点２４−ｋと各レンズ３４−ｋのＸＹ座標が一致しているため、主光線はＺ軸に平行な光線となる。Ｚ軸は、面発光型光源２０の光軸に平行な方向である。

図１０に示すように、面発光型光源２０の点灯状態が続くと、発熱によってＶＣＳＥＬ基板２１およびマイクロレンズアレイ３の温度が上昇し、膨張する。ＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３は、線膨張係数が異なるため、発光点２４−ｋとレンズ３４−ｋの座標が一致しなくなる。発光領域２２の中心部が最も温度が高くなるため、中心部から外側になるにつれ、ＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３のずれ量が大きくなる。

本実施の形態においては、ＶＣＳＥＬ基板２１の線膨張係数がマイクロレンズアレイ３の線膨張係数より大きいため、温度上昇時の伸びは、ＶＣＳＥＬ基板２１の方が大きくなる。そのため、発光領域２２の外側に近い発光点２４−ｋからレンズ３４−ｋに入射した光束４２は、やや発光領域２２の中心部、すなわちＶＣＳＥＬ２の光軸に近い側に曲がって進む。したがって、全体の光線は、室温と同等の温度である場合に比べて収束する。

図１１に、ＶＣＳＥＬ基板１２１の線膨張係数がマイクロレンズアレイ１０３の線膨張係数より小さいときの光束１４２の様子を示す。マイクロレンズアレイ１０３は、例えばポリカーボネートなどでできている。ＶＣＳＥＬ基板１２１よりもマイクロレンズアレイ１０３の温度上昇による膨張が大きいため、光束１４２はＶＣＳＥＬ１０２の光軸から離れる方向に屈折する。

そのため、ＶＣＳＥＬ１０２全体として発散光束が強い状態となり、光束１４２は集光レンズ１０４の外側に広がってしまう。光束１４２が集光レンズ１０４の外側に広がると、集光レンズ１０４でけられが発生して光量が落ちる可能性がある。また、光ファイバに対する入射角が大きくなり、ファイバＮＡを超えて光ファイバに入射されなくなる。

このように、ＶＣＳＥＬ基板２１の線膨張係数をマイクロレンズアレイ３の線膨張係数より大きくすることにより、ＶＣＳＥＬ基板２１の温度が上昇した場合においても全体の光線を収束させ、高い光利用効率を得ることができる。発光点２４−ｋを集積して構成されているＶＣＳＥＬ２は、他のレーザーに比べて特に発熱量が大きいが、本構成により光利用効率の低下を抑えることができる。

●温度変化時のマイクロレンズアレイ３の変位量について
図１２は、連続使用時においてＶＣＳＥＬ基板２１の温度が２５度から５０度になったときの、ＶＣＳＥＬ基板２１とマイクロレンズアレイ３の変位量の差をシミュレーションにより算出したグラフである。横軸に発光領域２２の中心位置を基準とした座標、縦軸に変位量の差を示す。

ＶＣＳＥＬ基板２１の温度が５０度になると、発光領域２２の中心から離れるにつれて変位量の差が大きくなり、Ｘ方向について最大１．５μｍ、Ｙ方向について最大１μｍのずれが発生する。しかし、ずれる位置は発光領域２２の最も外側であるので、熱変形における光利用効率への影響は小さい。

図１３および図１４に示すように、光軸方向においては、マイクロレンズアレイ３は発光領域２２の外側になるにつれＶＣＳＥＬ基板２１から離れるように変形する。本実施の形態において、２５度から５０度に変化したときの光利用効率の減少量はマイクロレンズアレイ３の変形を加味しても約３％程度と小さくなっている。

以上説明した実施の形態によれば、レンズアレイの線膨張係数が前記ＶＣＳＥＬ基板の線膨張係数以下であることにより、発光点が熱を発生しても、光ファイバにおいて高い光利用効率を得ることができる。

１ レーザー装置
２ ＶＳＣＥＬ
２２ 発光領域
２３ 非発光領域
２４−ｋ 発光点
２５ 接着剤
３ マイクロレンズアレイ
３３ 非レンズ領域
３４−ｋ レンズ

特開２００２−０２６４５２号公報

Claims (7)

1. 複数の発光点が配置された発光領域と前記発光領域の周辺にある非発光領域を有する基板と、
   複数のレンズと前記複数のレンズの周辺にある非レンズ領域を有するレンズアレイと、
   を備え、
   前記基板および前記レンズアレイは、前記複数の発光点と前記複数のレンズが対応するように、前記非発光領域および前記非レンズ領域で直接接着され、
   前記レンズアレイの線膨張係数は、前記基板の線膨張係数以下であることを特徴とする面発光型光源。
2. 前記複数のレンズの各レンズの面頂点は、前記複数の発光点の各発光点の光軸と一致するように設けられている、請求項１記載の面発光型光源。
3. 前記非発光領域と、前記非レンズ領域と、は、接着剤により接着されていて、前記接着剤による接着部は、前記発光領域の中心に対して対称な位置に４箇所以上ある、請求項１又は２記載の面発光型光源。
4. 前記複数のレンズは、前記複数の発光点に対向する側が凸面である、請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光型光源。
5. 面発光型光源と、
   前記面発光型光源から出射される複数の光束を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系によって集光される光が入射する光ファイバと、
   を備え、
   前記面発光型光源は、請求項１乃至４のいずれかに記載の面発光型光源であることを特徴とするレーザー装置。
6. 前記光ファイバはコアを有し、
   前記複数の発光点の各発光点の直径をＡ１、全系倍率をｍ、前記コアの直径をＡ４としたときに
   Ａ１×ｍ＜Ａ４を満足する、請求項５記載のレーザー装置。
7. 前記基板の、前記レンズアレイが接着された面とは反対の面に対向して配置された熱拡散板と、前記熱拡散板に隣接して配置されたペルチェ素子と、をさらに備える、請求項５又は６に記載のレーザー装置。

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