JP2021150369A

JP2021150369A - レーザー光源モジュール

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Publication number: JP2021150369A
Application number: JP2020046393A
Authority: JP
Inventors: 優輝伊藤; Yuuki Ito; 健史松嶌; Takeshi Matsuto
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-27

Abstract

【課題】光出射面が大気に曝されることによる半導体レーザー光源の出力の低下を抑えることができる構造であって、半導体レーザー光源として多数の半導体レーザー素子を用いる場合にも適用可能な構造を有するレーザー光源モジュールを提供する。【解決手段】本発明の一態様として、基体１０と、基体１０上に設置された半導体レーザー光源１１と、基体１０上に設置された、半導体レーザー光源１１から発せられた光を通過させて取り出すレンズ１２と、半導体レーザー光源１１の光出射面１１１と、レンズ１２の半導体レーザー光源１１から発せられた光が入射する光入射面１２１との間の空間１３を埋める封止材１４と、を備えた、レーザー光源モジュール１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光源モジュールに関する。

従来、半導体レーザー素子が気密封止された半導体レーザー装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。一般的に、半導体レーザー素子を大気中で使用すると、大気中に含まれるシロキサンや有機物の光射出面への付着などによりその出力が低下することが知られているが、半導体レーザー素子を気密封止して用いることにより、このような出力の低下を抑えることができる。

特許文献１に記載の半導体レーザー装置においては、半導体レーザー素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップと、開口部に設けられた無機材料の透光性板とを用いて、半導体レーザー素子が気密封止されている。

特開２０１９−７９８４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体レーザー装置に用いられているような、無機材料の透光性板を用いる気密封止構造を多数の半導体レーザー素子を備えた大型のモジュールに適用した場合、長期使用において半導体レーザー素子の劣化を抑えることが難しい。

これは、無機材料の透光性板とそれを接合する金属製の筐体のいずれも大型になるため、これらの接合時の熱膨張量の差も大きくなり、接着性が低くなったり、透光性板が破損したりして、気密性が低下するおそれがあるからである。また、通常、大型のモジュールの筐体は複雑な形状を有するため、内部につながるすべての隙間を塞ぐことは困難であり、無機材料の透光性板を筐体に接合する方法で十分な気密性を得ることは難しい。

本発明の目的は、光出射面が大気に曝されることによる半導体レーザー光源の出力の低下を抑えることができる構造であって、半導体レーザー光源として多数の半導体レーザー素子を用いる場合にも適用可能な構造を有するレーザー光源モジュールを提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［３］のレーザー光源モジュールを提供する。

［１］基体と、前記基体上に設置された半導体レーザー光源と、前記基体上に設置された、前記半導体レーザー光源から発せられた光を通過させて取り出すレンズと、前記半導体レーザー光源の光出射面と、前記レンズの前記半導体レーザー光源から発せられた光が入射する光入射面との間の空間を埋める封止材と、を備えた、レーザー光源モジュール。
［２］前記半導体レーザー光源が、複数の半導体レーザー素子がリニアアレイ状に配列したレーザーバーである、上記［１］に記載のレーザー光源モジュール。
［３］前記封止材の屈折率が、前記半導体レーザー光源の前記光出射面を含む部分の屈折率よりも高く、前記レンズの前記光入射面を含む部分の屈折率よりも小さい、上記［１］又は［２］に記載のレーザー光源モジュール。

本発明によれば、光出射面が大気に曝されることによる半導体レーザー光源の出力の低下を抑えることができる構造であって、半導体レーザー光源として多数の半導体レーザー素子を用いる場合にも適用可能な構造を有するレーザー光源モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザー光源モジュールの垂直断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係るレーザー光源モジュールの分解斜視図である。図３は、図２の半導体レーザー光源周辺を拡大した図である。

〔実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザー光源モジュール１の垂直断面図である。図２は、レーザー光源モジュール１の分解斜視図である。図１、２には、レーザー光源モジュール１の構成例として、３Ｄプリンターの光源モジュールとして用いることのできる構成を示している。

レーザー光源モジュール１は、基体１０と、基体１０上に設置された半導体レーザー光源１１と、基体１０上に設置された、半導体レーザー光源１１から発せられた光を通過させて取り出すレンズ１２と、半導体レーザー光源１１の光出射面（光を出射する側の端面）１１１と、レンズ１２の半導体レーザー光源１１から発せられた光が入射する光入射面（光が入射する端面）１２１との間の空間１３を埋める封止材１４とを備える。

レーザー光源モジュール１において、半導体レーザー光源１１から発せられた光は、封止材１４、レンズ１２を通過して外部に取り出される。

レーザー光源モジュール１においては、封止材１４が半導体レーザー光源１１の光出射面１１１と、レンズ１２の光入射面１２１との間の空間１３を埋めているため、半導体レーザー光源１１の光出射面１１１が封止材１４に覆われている。このため、大気中に含まれるシロキサンや有機物の光出射面１１１への付着を抑制し、半導体レーザー光源１１の出力の低下を抑えることができる。また、封止材１４を用いることにより気密封止構造が不要になるため、モジュールの製造コストの低減を図ることができる。

また、レーザー光源モジュール１においては、封止材１４が半導体レーザー光源１１の光出射面１１１と、レンズ１２の光入射面１２１との間の空間１３を埋めているため、半導体レーザー光源１１から発せられた光は空気中に出ることなく封止材１４中を通ってレンズ１２に達することができる。封止材１４は、その材料に依らず空気よりも高い屈折率を有するため、空気中を通る場合よりも光の広がりが小さくなり、レンズ１２から取り出される光の出力が向上する。

なお、半導体レーザー光源１１とレンズ１２のサイズが大きい場合であっても、光出射面１１１と光入射面１２１との間の空間１３を封止材１４で埋めることは容易であり、また、特別な問題も生じないため、半導体レーザー光源１１とレンズ１２のサイズに依らず、上記の封止材１４による効果を発揮することができる。

基体１０は、例えば、アルミニウムからなる。また、基体１０は、図１、２に示されるように、半導体レーザー光源１１の温度を下げるための冷却水を流す流路１０１を内部に有していてもよい。カバー１０２は、流路１０１の蓋であり、冷却水を流入又は流出させるための孔１０３を有する。

半導体レーザー光源１１は、プリント回路板１５に実装された単数又は複数の半導体レーザー素子１１２から構成される。半導体レーザー光源１１は、例えば、図２に示されるような、複数の半導体レーザー素子１１２がリニアアレイ状に配列したレーザーバーである。

半導体レーザー光源１１の発光波長は、レーザー光源モジュール１の用途に応じて適宜設定される。例えば、レーザー光源モジュール１を３Ｄプリンターの光源モジュールとして液体樹脂を硬化させるために用いる場合は、４２０ｎｍ未満、例えば３６５〜４０５ｎｍの範囲内で設定される。

図３は、図２の半導体レーザー光源１１周辺を拡大した図である。半導体レーザー光源１１を構成する半導体レーザー素子１１２は、例えば、上下に電極を有し、下側の電極は、はんだ、銀ペースト、金バンプ、焼結ペーストなどの導電性接合材１１３によってプリント回路板１５の配線１５１に接続され、上側の電極は、ボンディングワイヤー１１４によってプリント回路板１５の配線１５１に接続される。この場合、図３に示されるように、ボンディングワイヤーも封止するように封止材１４を設けることが好ましい。

レンズ１２は、例えば、図１に示されるような、セルフォック（登録商標）レンズアレイ（ＳＬＡ）に含まれるアレイ状に多数並べられた円柱状のセルフォックレンズである。ＳＬＡにおいては、多数のレンズ１２としてのセルフォックレンズが２枚のＦＲＰ板１２２の間にアレイ状に配列され、その隙間が黒色樹脂で充たされている。

封止材１４は、例えば、フッ素樹脂、低融点ガラス、ポリシラザン、ポリシロキサンなどからなる。封止材１４の材料としては、半導体レーザー光源１１の発光波長に応じて、その波長の吸収率が低いものを用いることが好ましい。例えば、フッ素樹脂であれば、半導体レーザー光源１１の発光波長がＵＶ−Ｃ波長域（２８０ｎｍ未満）であっても封止材１４の材料として用いることができる。

なお、半導体レーザー光源１１の発光波長が短いほど、シロキサンや有機物の光出射面１１１への付着が出力に及ぼす影響が大きくなるため、封止材１４のシロキサンや有機物の光出射面１１１への付着を抑える効果が重要になる。

封止材１４の屈折率を、半導体レーザー光源１１の光出射面１１１を含む部分の屈折率よりも高く、レンズ１２の光入射面１２１を含む部分の屈折率よりも小さくすることにより、光出射面１１１及び光入射面１２１での光の反射を抑え、レーザー光源モジュール１の光取り出し効率を向上させることができる。

例えば、半導体レーザー光源１１の光射出側の表面が、屈折率が１．４７のＳｉＯ_２で覆われていて、光出射面１１１がそのＳｉＯ_２で構成されており、また、レンズ１２の屈折率が１．５７である場合、封止材１４の材料として、屈折率が１．４７よりも大きく、１．５７よりも小さいシリコーン樹脂や低融点ガラスを用いることができる。

また、封止材１４は、フッ素樹脂などのＳｉを含まない材料からなることが好ましい。この場合、封止材１４からのシロキサンの放出がなくなるため、半導体レーザー光源１１の光出射面１１１へのシロキサンの付着をより効果的に抑えることができる。

レーザー光源モジュール１は、半導体レーザー光源１１やレンズ１２の保護のため、図１、２に示されるように、基体１０上に、半導体レーザー光源１１とレンズ１２を覆うように設置されるケース１６を備えることが好ましい。この場合、図１に示されるように、基体１０とケース１６の間に封止材１４を充填することにより、封止材１４を接着材としてケース１６を基体１０に固定することができる。

（実施の形態の効果）
上記の実施の形態に係るレーザー光源モジュール１によれば、封止材１４により、光出射面１１１が大気に曝されることによる半導体レーザー光源１１の出力の低下を抑えることができる。また、この封止材１４を用いた構造は、レーザー光源モジュール１が半導体レーザー光源１１として多数の半導体レーザー素子１１２を用いる大型のモジュールである場合にも適用することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１レーザー光源モジュール
１０基体
１１半導体レーザー光源
１１１光出射面
１１２半導体レーザー素子
１２レンズ
１２１光入射面
１３空間
１４封止材
１６ケース

Claims

基体と、
前記基体上に設置された半導体レーザー光源と、
前記基体上に設置された、前記半導体レーザー光源から発せられた光を通過させて取り出すレンズと、
前記半導体レーザー光源の光出射面と、前記レンズの前記半導体レーザー光源から発せられた光が入射する光入射面との間の空間を埋める封止材と、
を備えた、レーザー光源モジュール。
前記半導体レーザー光源が、複数の半導体レーザー素子がリニアアレイ状に配列したレーザーバーである、
請求項１に記載のレーザー光源モジュール。
前記封止材の屈折率が、前記半導体レーザー光源の前記光出射面を含む部分の屈折率よりも高く、前記レンズの前記光入射面を含む部分の屈折率よりも小さい、
請求項１又は２に記載のレーザー光源モジュール。