JP2019079854A - レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンドリカルレンズを高精度に調整でき、且つレーザ溶接により固定できる信頼性の高いレーザ装置及びその製造方法。【解決手段】レーザ光を出射する半導体レーザ１と、半導体レーザを保持するベース２と、半導体レーザからのレーザ光を整形するシリンドリカルレンズ３と、シリンドリカルレンズを固定し且つ端部に球面１１が形成されたレンズホルダ４と、ベースに面接触し且つレンズホルダの端部に形成された球面が係合して配置され、半導体レーザからのレーザ光を通過させてシリンドリカルレンズに導光するための貫通穴５０が形成された中空部材５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザと光学素子とを備えたレーザ装置及びその製造方法に関する。

レーザ装置に使用されるレンズ等の光学素子は、位置、角度を高精度に調整して固定する必要がある。光学素子を固定する方法としては、例えば、レーザ溶接を用いて光学素子を固定する方法が知られている。

このレーザ溶接では、光学素子を予め金属製レンズホルダに固定し、光学素子を配置する金属製ベースと金属製レンズホルダとの接点に、レーザ光を照射する。これによって、金属製ベースと金属製レンズホルダとを高精度に接合して固定することができる。

この方法では、接着剤による固定のようにガスの発生もなく、硬化時間も必要ない。また、接合強度も高いため、長期的に信頼性を確保できる。

しかし、レーザ溶接では、金属製レンズホルダが金属製ベースに接触している必要があるため、光学素子の調整の自由度が低いという問題があった。この問題を解決したものとして、特許文献１に記載された半導体レーザモジュールが知られている。

この半導体レーザモジュールは、端部に球面を有する円筒形状のフレームの球面を保持部材に内接し、球面を摺動することにより、レーザ装置の光軸方向を調整している。

このようなレーザ溶接を用いた光学素子の固定方法としては、図６に示すように、半導体レーザ１からのレーザ光を凸レンズ２１でコリメートし、コリメートされたレーザ光を凸レンズ２２で集光して、光ファイバ２３に入力する光学系もある。

近年、半導体レーザの高出力化等により、レーザ出力端でのパターンサイズや出射角度が活性層に対する垂直方向と水平方向とで大きく異なる特性が問題となっている。垂直方向と水平方向のレーザ特性が大きく異なる半導体レーザからのレーザ光を単純に凸レンズで集光した場合には、ある一定のＮＡ（開口数）とコア径を有する光ファイバには、ＮＡが合わない若しくは集光径が大きいため、効率良く光ファイバへ光結合することができない。

このため、上記の条件で、効率良く光ファイバへ光結合させるためには、図７（ａ）の上面図、図７（ｂ）の正面図に示すように、２つのシリンドリカルレンズ２４，２５を用いて半導体レーザ１からのレーザ光の垂直方向と水平方向を別々にコリメートした後、集光レンズからなる凸レンズ２２により任意の集光角・集光径に集光して光ファイバ２３に結合している。

特開２０１０−２６３０７０号公報

しかしながら、シリンドリカルレンズ２４，２５は、凸レンズとは特性が異なることから、角度調整が困難であった。特に、レーザ出射端とシリンドリカルレンズ２４，２５との平行出しに高精度に角度調整する必要がある。

本発明の課題は、シリンドリカルレンズを高精度に調整でき、且つレーザ溶接により固定できる信頼性の高いレーザ装置及びその製造方法を提供する。

本発明に係るレーザ装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザを保持するベースと、前記半導体レーザからのレーザ光を整形するシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズを固定し且つ端部に曲面が形成されたレンズホルダと、前記ベースに面接触し且つ前記レンズホルダの端部に形成された前記曲面が係合して配置され、前記半導体レーザからのレーザ光を通過させて前記シリンドリカルレンズに導光するための貫通穴が形成された中空部材とを備えることを特徴とする。

また、前記ベースと前記中空部材とが接触する面には、前記半導体レーザの光軸に垂直な面に対して所定の角度だけ傾斜した傾斜部が前記ベースと前記中空部材との各々に形成されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置の製造方法は、ベースに固定された半導体レーザからのレーザ光を整形するシリンドリカルレンズをレンズホルダに固定し、レンズホルダの端部に曲面を形成し、前記半導体レーザからのレーザ光を前記シリンドリカルレンズに導光するための貫通穴が形成された中空部材を前記ベースに面接触させた状態でレーザ溶接し、前記中空部材を前記レンズホルダの端部に形成された前記曲面に係合させた状態でレーザ溶接する工程を備えることを特徴とする。

本発明によれば、シリンドリカルレンズが固定されたレンズホルダの端部に形成された球面が中空部材の端部に係合し、係合させた状態で、曲面を摺動させることでシリンドリカルレンズの角度調整を行う。

これにより、シリンドリカルレンズを自由度の大きい角度で調整できる。即ち、シリンドリカルレンズを高精度に調整でき、且つレーザ溶接により固定できる信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。

また、中空部材を摺動させることで、シリンドリカルレンズを複数の軸方向に調整することができる。

本発明の実施例１のレーザ装置の上面図及び正面図である。 本発明の実施例１のレーザ装置の斜視図である。 本発明の実施例１のレーザ装置のシリンドリカルレンズ調整前後の図である。 本発明の実施例２のレーザ装置の上面図及び正面図である。 本発明の実施例２のレーザ装置の斜視図である。 従来のレーザ装置の一例を示す構成図である。 従来のレーザ装置の他の一例を示す構成図である。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係るレーザ装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）に本発明の実施例１のレーザ装置の上面図を示し、図１（ｂ）に実施例１のレーザ装置の正面図を示す。図２に実施例１のレーザ装置の斜視図を示す。

実施例１のレーザ装置は、半導体レーザ１、金属製ベース２、シリンドリカルレンズ３、レンズホルダ４、中空部材５を備えている。

半導体レーザ１は、レーザ光を出射するレーザダイオードからなり、円筒タイプからなる。金属製ベース２は、半導体レーザ１を収納し且つ保持する円筒形状の金属部材からなり、例えば、鉄、銅、アルミニウム等の金属からなる。半導体レーザ１の中心と金属製ベース２の中心は、同軸上にある。

シリンドリカルレンズ３は、ガラス、プラスチック等からなり、半導体レーザ１と対向して配置されている。シリンドリカルレンズ３は、互いに直交するＸ軸とＹ軸の一方の軸のみにレンズとして作用する曲率が形成され、半導体レーザ１からのレーザ光を一方の軸方向のみ整形（コリメート）する。

レンズホルダ４は、シリンドリカルレンズ３を固定し且つ端部に球面（曲面に対応）１１が形成されている。レンズホルダ４は、円筒状の金属部材からなり、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属からなる。

中空部材５は、金属製ベース２とレンズホルダ４との間に配置され、具体的には、金属製ベース２に面接触し且つレンズホルダ４の端部に形成された球面１１が中空部材５の端部に係合し、半導体レーザ１からのレーザ光を通過させてシリンドリカルレンズ３に導光するための貫通穴５０が形成されている。中空部材５は、円筒状の金属部材からなり、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属からなる。

金属製ベース２と中空部材５とが接触する面には、半導体レーザ１の光軸に垂直な面に対して所定の角度だけ傾斜した傾斜部２ａが金属製ベース２に形成され、傾斜部５ａが中空部材５に形成されている。傾斜部２ａと傾斜部５ａとは、面接触している。

このように実施例１のレーザ装置によれば、シリンドリカルレンズ３が固定されたレンズホルダ４の端部に形成された球面１１が中空部材５の端部に係合し、係合させた状態で、球面１１を摺動させることでシリンドリカルレンズ３の角度調整を行う。

これにより、シリンドリカルレンズ３を自由度の大きい角度で調整できる。即ち、シリンドリカルレンズ３を高精度に調整でき、且つレーザ溶接により固定できる信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。

また、金属製ベース２と中空部材５との接触面には、傾斜部２ａ，５ａが形成され、傾斜部２ａ，５ａは、レーザ光軸に垂直な面（Ｘ−Ｙ面）からさらにＹ軸を中心にＺ軸方向に所定の角度で傾斜している。

傾斜部２ａに沿って、図３に示すように、中空部材５の傾斜部５ａを下方に摺動させると、中空部材５の端部に係合した球面１１が形成されたレンズホルダ４も下方に移動する。即ち、シリンドリカルレンズ３も下方に移動する。

図３にシリンドリカルレンズ３の調整前後の様子を示す。図３において、摺動前の中空部材５を実線で表し、摺動後の中空部材５を斜線で表した。即ち、傾斜部２ａに沿って中空部材５を摺動させることで、シリンドリカルレンズ３をＹ軸方向とＺ−Ｘ軸方向の２軸方向に調整することができる。

シリンドリカルレンズ３の調整の内、特に、Ｚ−Ｘ軸方向への調整は、シリンドリカルレンズ３の焦点距離の調整に用いられる。シリンドリカルレンズ３は、Ｘ軸方向への移動に対しては、レンズの効果は生じないため、Ｚ−Ｘ軸方向への調整は、実質的にはＺ軸方向への調整となる。

図３に示すように、中空部材５を摺動させて、シリンドリカルレンズ３を最適な位置に調整した状態で、金属製ベース２と中空部材５との接触面をレーザ溶接し、中空部材５とレンズホルダ４の接触面をレーザ溶接して接合する。

以上により、シリンドリカルレンズ３の角度を調整できるとともに、シリンドリカルレンズ３のＹ軸、Ｚ軸調整が行え、しかもレーザ溶接によりレーザ装置を簡易な構成で固定することができる。

（実施例２）
図４（ａ）に本発明の実施例２のレーザ装置の上面図を示し、図４（ｂ）に実施例２のレーザ装置の正面図を示す。図５に実施例２のレーザ装置の斜視図を示す。

実施例２のレーザ装置は、レンズホルダ４ｂの端部が円筒面１４からなる。

中空部材５ｂには、レンズホルダ４ｂの端部に形成された円筒面１４が係合する溝部１５が形成されている。その他の構成は、図１（ａ）（ｂ）に示す構成と同一構成である。

実施例２のレーザ装置によれば、レンズホルダ４ｂの端部に形成された円筒面１４が中空部材５ｂに形成された溝部１５に係合しているので、レンズホルダ４ｂの円筒面１４を一軸方向に動かすことで、シリンドリカルレンズ３の角度を一軸方向のみに調整することができる。

このため、必要以上にシリンドリカルレンズ３の複雑な角度調整を行うことがなくなる。また、円筒面１４の向きは、必要に応じて任意に設定することができる。

本発明は、レーザ加工やレーザ照明等に適用可能である。

１ 半導体レーザ
２ ベース
２ａ，５ａ 傾斜部
３，３ｂ，２４，２５ シリンドリカルレンズ
４，４ｂ レンズホルダ
５，５ｂ 中空部材
１１ 球面
１２ 端部
１４ 円筒面
１５ 溝部
２１，２２ 凸レンズ
２３ 光ファイバ
５０ 貫通穴

Claims (6)

1. レーザ光を出射する半導体レーザと、
   前記半導体レーザを保持するベースと、
   前記半導体レーザからのレーザ光を整形するシリンドリカルレンズと、
   前記シリンドリカルレンズを固定し且つ端部に曲面が形成されたレンズホルダと、
   前記ベースに面接触し且つ前記レンズホルダの端部に形成された前記曲面が係合して配置され、前記半導体レーザからのレーザ光を通過させて前記シリンドリカルレンズに導光するための貫通穴が形成された中空部材と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記ベースと前記中空部材とが接触する面には、前記半導体レーザの光軸に垂直な面に対して所定の角度だけ傾斜した傾斜部が前記ベースと前記中空部材との各々に形成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記曲面は、球面からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記曲面は、円筒面からなり、
   前記中空部材には、前記円筒面が係合する溝部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ装置。
5. ベースに固定された半導体レーザからのレーザ光を整形するシリンドリカルレンズをレンズホルダに固定し、
   前記レンズホルダの端部に曲面を形成し、
   前記半導体レーザからのレーザ光を前記シリンドリカルレンズに導光するための貫通穴が形成された中空部材を前記ベースに面接触させた状態でレーザ溶接し、
   前記中空部材を前記レンズホルダの端部に形成された前記曲面に係合させた状態でレーザ溶接する工程を備えることを特徴とするレーザ装置の製造方法。
6. 前記ベースと前記中空部材とが接触する面に、前記半導体レーザの光軸に垂直な面に対して所定の角度だけ傾斜した傾斜部を前記ベースと前記中空部材との各々に形成し、
   前記傾斜部に沿って、前記ベースと前記中空部材とを摺動することによって前記シリンドリカルレンズの位置を調整することを特徴とする請求項５記載のレーザ装置の製造方法。

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