JP2022021419A - 光源ユニット - Google Patents

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敦 東浦
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Abstract

【課題】空間ビーム結合に適したより信頼性の高い光源ユニットを提供する。【解決手段】光源ユニット１００は、レーザ光を出射するエミッタ領域Ｅを有するＬＤ（レーザダイオード）１２および窓部材１４を含むパッケージ１０と、窓部材１４を透過したレーザ光を受け、エミッタ領域の像（仮想光源）Ｅ’を像面２２に形成する第１レンズ系２０と、像面を通過したレーザ光をコリメートビームＢまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系３０とを備える。【選択図】図４

Description

本開示は、光源ユニットに関する。
高出力高輝度のレーザビームを用いて多様な種類の材料に切断、穴あけ、マーキングなどの加工を行ったり、金属材料を溶接したりすることが行われている。従来、このようなレーザ加工に使用されてきた炭酸ガスレーザ装置およびＹＡＧ固体レーザ装置の一部は、エネルギ変換効率の高いファイバレーザ装置に置き換わりつつある。ファイバレーザ装置の励起光源には、半導体レーザダイオード（以下、単にＬＤと記載する。）が使用されている。近年、ＬＤの高出力化に伴い、ＬＤを励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）技術と称されている。
特許文献１は、複数のＬＤからそれぞれ出射された複数のレーザビームを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）して光出力を増大させるレーザ光源の一例を開示している。複数のレーザビームの結合は「空間ビーム結合」と称され、例えばファイバレーザ装置の励起光源およびＤＤＬ装置などの光出力を高めるために利用され得る。
米国特許７７３３９３２号明細書
空間ビーム結合に適した、より信頼性の高い光源ユニットが求められている。
本開示の光源ユニットは、実施形態において、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材を有し、前記レーザダイオードを封止する半導体レーザパッケージと、前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を像面に形成する第１レンズ系であって、コリメータレンズおよび結像レンズを有する第１レンズ系と、前記像面を通過した前記レーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系と、前記第１レンズ系を収容するレンズケースとを備える。前記レンズケースは、前記半導体レーザパッケージに固定された第１スリーブと、前記第１スリーブ内に固定され、前記コリメータレンズを保持する第１レンズ鏡筒と、前記第１スリーブおよび前記第１レンズ鏡筒の少なくとも一方に接合された第２スリーブと、前記第２スリーブ内に固定され、前記結像レンズを保持する第２レンズ鏡筒とを有する。
本開示の実施形態によれば、空間ビーム結合に適した、より信頼性の高い光源ユニットが提供され得る。
図１Ａは、チップ状態にあるＬＤから出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｐの構成例を模式的に示す上面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示される光源ユニット１００Ｐの構成例の側面図である。 図２は、ＬＤ１２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。 図３Ａは、パッケージ１０に収容されたＬＤ１２から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｑの構成例を示すＸＺ面に平行な模式断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示される光源ユニット１００ＱのＹＺ面に平行な模式断面図である。 図４は、本実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を示す図である。 図５は、光源ユニット１００における一部のより詳細な模式断面図である。 図６は、パッケージ１０の内部を模式的に示す斜視図である。 図７は、パッケージ１０の外部を模式的に示す斜視図である。 図８は、光源ユニット１００の主要部を拡大して示す図である。 図９は、第１レンズ系２０の各レンズの実効焦点距離Ｆ１、Ｆ２を示す図である。 図１０は、レンズケース４０の構成要素のそれぞれを示す断面図である。 図１１は、パッケージ１０に接合される第１スリーブ４２Ａを模式的に示す断面図である。 図１２は、第１スリーブ４２Ａが中間板５０を介してパッケージ１０に接続される形態を模式的に示す断面図である。 図１３は、中間板５０の正面(左側)および断面(右側)を示す図である。 図１４は、光源ユニット１００の断面図である。 図１５は、光源ユニット１００の中間板５０を示す図である。 図１６は、動作中の熱膨張によって光源ユニットの一部が変形したきの光軸ずれを誇張して示す断面図である。 図１７は、サンプル２について、像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹの大きさと、中間板５０における第２領域５０Ｂの高さｈ２との関係を示すグラフである。 図１８は、光源ユニット１００の第１レンズ系２０の光軸上における幾つかの評価点位置を示す断面図である。 図１９は、サンプル１～３について、評価点Ｚ０を基準（０．０μｍ）とするとき、ＬＤ１２が発する熱による各評価点Ｚ１～Ｚ５の変位の大きさを示すグラフである。 図２０Ａは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００をＸＺ面の法線方向からみた模式的な上面図である。 図２０Ｂは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００の一部をＹＺ面の法線方向からみた模式的な側面図である。 図２０Ｃは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００をＸＹ面の法線方向からみた模式的な正面図である。 図２１は、９個の光源ユニット１００を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。 図２２Ａは、光学系１６０の構成例を示す図である。 図２２Ｂは、光学系１６０の他の構成例を示す図である。 図２３Ａは、５本のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示す図である。 図２３Ｂは、９本のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示す図である。 図２３Ｃは、９本×２列のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示す図である。 図２４は、レーザ光源モジュール２００の他の構成例を示す斜視図である。 図２５は、レーザ光源モジュール２００の他の構成例を示す図である。 図２６は、本開示によるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の実施形態の構成例を示す図である。 図２７は、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態の構成例を示す図である。
本開示の実施形態を説明する前に、本発明者等が見出した知見およびその技術背景を説明する。
図１Ａは、チップ状態にあるＬＤから出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｐの基本的な構成の一例を模式的に示す上面図であり、図１Ｂは、その側面図である。添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を基底とするＸＹＺ座標系が模式的に示されている。
図示されている光源ユニット１００Ｐは、レーザ光Ｌを出射するＬＤ１２と、レーザ光Ｌをコリメートする光学系３０Ｐとを備えている。図の例において、光学系３０Ｐは、ＬＤ１２に近い位置から光軸上に順番に配置された速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを含んでいる。速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣは、いずれも、シリンドリカルレンズ（例えば円筒面平凸レンズ）である。シリンドリカルレンズは、平行な光線束を直線（焦点）上に収束する曲面を有している。曲面は、円柱の外周表面の一部に相当する形状を有しており、円柱の軸方向における曲率はゼロである。それぞれが図示された構成を備える複数の光源ユニット１００Ｐを用いて空間ビーム結合が実行され得る。空間ビーム結合の詳細については後述する。
図２は、ＬＤ１２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。図示されている構成は、説明のために単純化されている。図２の例において、ＬＤ１２は、上面に形成されたストライプ状のｐ側電極１２Ｐと、下面に形成されたｎ側電極１２Ｎと、端面１２Ｆに位置するエミッタ領域Ｅとを有している。レーザ光Ｌはエミッタ領域Ｅから出射される。ＬＤ１２は、半導体基板と、半導体基板上に成長した複数の半導体層（半導体積層構造）を有している。半導体積層構造は、レーザ発振を行って発光する発光層を含み、公知の様々な構成を有し得る。この例におけるＬＤ１２は、ブロードエリア型であり、エミッタ領域Ｅは、Ｘ軸方向のサイズ（例えば５０μｍ以上）がＹ軸方向のサイズ（例えば約２μｍ）よりも格段に大きな形状を有している。エミッタ領域ＥのＹ軸サイズは、ＬＤ１２の半導体積層構造（具体的には導波路およびクラッド層の厚さ、屈折率比など）によって規定される。エミッタ領域ＥのＸ軸サイズは、発光層を横切る方向に電流が流れる領域のＸ軸サイズ、具体的にはリッジ構造（不図示）の幅（利得導波路幅）などによって規定される。
図２に示されるように、エミッタ領域Ｅから出射されるレーザ光Ｌのビーム形状はＸ軸方向とＹ軸方向で非対称になる。図２では、レーザ光Ｌのファーフィールド（遠方界）パターンが模式的に示される。レーザ光Ｌは、Ｙ軸方向ではシングルモードのガウシアンビームに近似されるビーム形状を有するが、Ｘ軸方向では全体として発散角の小さなマルチモードのビーム形状を有する。Ｙ軸方向の発散半角θｙ０は、Ｘ軸方向の発散半角θｘ０よりも大きい。Ｙ軸方向におけるレーザ光Ｌは、ガウシアンビームに近似できるため、Ｙ軸方向のビームウエスト位置におけるビーム半径をωo、レーザ光Ｌの波長をλとすると
、θｙ０＝ｔａｎ－１（λ／πωo）≒λ／（πωo）ラジアンが成立する。λが可視光域にあるブロードエリア型レーザダイオードの場合、θｙ０は例えば２０度、θｘ０は例えば５度である。その結果、レーザ光ＬのＹ軸サイズは、Ｚ軸方向に沿って伝搬するときに相対的に「速く」発散して拡大する。このため、Ｙ軸は「速軸」、Ｘ軸は「遅軸」と呼ばれる。遅軸方向におけるビーム品質は、マルチモードであるため、速軸方向におけるビーム品質に比べて相対的に劣化している。その結果、ビーム品質を規定するビームパラメータ積ＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ）は、速軸方向における値に比べると、遅軸方向で相対的に大きくなる。なお、ＢＰＰは、ビームウエスト半径と遠方界における発散半角の積である。
図の例において、Ｚ軸はＬＤ１２から出射されるレーザ光Ｌの伝搬方向（ビーム中心軸）に平行である。単一のＬＤの動作を説明する場合、ＸＹＺ座標系の原点をエミッタ領域Ｅの中心に一致させることが便利である。しかし、複数のＬＤについて空間ビーム結合を説明する場合、ＸＹＺ座標系の原点は、いずれかのＬＤに関連づけて定める必要はない。また、空間ビーム結合に用いられる複数のＬＤの向きは相互に平行である必要はないし、個々のレーザビームが異なるミラーによって反射されて伝搬方向を変える場合もある。このため、本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、それぞれ、グローバルなＸＹＺ座標系における「Ｙ軸方向」および「Ｘ軸方向」に対して平行であるとは限らず、各レーザビームが有するビーム品質の非対称性に依存して決まる。すなわち、レーザビームの伝搬方向に直交する断面において、ＢＰＰが最も低い方向が「速軸」であり、速軸に直交する方向が「遅軸」である。
再び、図１Ａおよび図１Ｂを参照する。これらの図では、簡単のため、レーザ光ＬおよびコリメートビームＢが３本の代表的な光線によって単純化されて表されている。３本の光線のうち、中央の光線はレンズの光軸上にあり、他の２本の光線は、ビーム直径を規定する位置を模式的に示している。ビーム直径は、ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビーム直径またはビーム半径は、他の基準によって定義されてもよい。
速軸コリメータレンズＦＡＣは、図１Ｂに示されるように、レーザ光Ｌの伝搬方向（Ｚ軸）および速軸方向（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする。遅軸コリメータレンズＳＡＣは、図１Ａに示されるように、伝搬方向（Ｚ軸）および遅軸方向（Ｘ軸）を含む平面（ＸＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする。これらのコリメートを行うため、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣは、それぞれの前側焦点にエミッタ領域Ｅの中心が位置するように配置されている。
図２に模式的に示されているレーザ光Ｌの断面は、近傍界では、エミッタ領域Ｅの形状を反映して遅軸方向に比べて速軸方向に短い形状を有している。しかし、速軸方向の発散半角が大きいため、速軸方向のサイズは、エミッタ領域Ｅから離れるについて急速に拡大する。このため、光学系３０Ｐを通過した後におけるコリメートビームＢの断面の形状およびサイズは、レーザ光Ｌの光路上における速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣの位置に依存する。より正確には、速軸方向の発散半角θｙ０（または速軸コリメータレンズＦＡＣの開口数）と速軸コリメータレンズＦＡＣの焦点距離によってコリメートビームＢの速軸サイズが規定される。同様に、遅軸方向の発散半角θｘ０（または遅軸コリメータレンズＳＡＣの開口数）と遅軸コリメータレンズＳＡＣの焦点距離によってコリメートビームＢの遅軸サイズが規定される。
一般に、速軸コリメータレンズＦＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ、より具体的にはエミッタ領域Ｅ、に近いほど、コリメートビームＢの速軸サイズを小さくすることができる。言い換えると、速軸コリメータレンズＦＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ（エミッタ領域Ｅ）から離れているほど、コリメートビームＢの速軸サイズは大きくなる。同様に、遅軸コリメータレンズＳＡＣがＬＤ１２の端面１２Ｆ（エミッタ領域Ｅ）から離れているほど、コリメートビームＢの遅軸サイズも大きくなる。なお、レーザ光Ｌの光路上における速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣの位置を変更する場合、コリメータレンズＦＡＣ、ＳＡＣの口径および焦点距離を適切に変更する必要がある。エミッタ領域Ｅの中心は、常にコリメータレンズＦＡＣ、ＳＡＣのそれぞれの前側焦点に配置される。
上記の構成を有する複数の光源ユニット１００Ｐを用いて空間ビーム結合を行う場合、発振波長が近赤外域よりも短いＬＤ１２を採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のエミッタ領域Ｅに雰囲気中の塵埃などが付着して光出力が低下し得るというおそれがある。エミッタ領域に付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザ光Ｌと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザ光Ｌの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。このような問題を回避するため、複数のＬＤ１２を筐体内に収容するとき、筐体内に塵埃が混入しないように留意して筐体の組立を行い、筐体そのものを封止することが考えられる。しかし、空間ビーム結合に必要なレンズ系およびミラーなどの部品に塵埃などが付着していることがあり、また、筐体全体の気密性を高くすることは難しいため、長期にわたって光出力を高く維持することは困難であることがわかった。
他の問題解決手段として、個々のＬＤ１２を封止された半導体レーザパッケージ内に収容することが考えられる。ＬＤのパッケージ技術は高度に進んでおり、長期間、信頼性の高い動作が実現している。しかし、半導体レーザパッケージの内部にＬＤ１２を収容した場合、速軸コリメータレンズＦＡＣをＬＤ１２のエミッタ領域に近づけようとしても、半導体レーザパッケージが物理的に干渉するため、十分に近づけることができず、焦点距離が相対的に長い速軸コリメータレンズＦＡＣしか採用できなくなるおそれがある。以下、この点を説明する。
図３Ａは、半導体レーザパッケージ１０に収容されたＬＤ１２から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット１００Ｑの構成例を示すＸＺ面に平行な模式断面図であり、図３Ｂは、そのＹＺ面に平行な模式断面図である。以下、半導体レーザパッケージを単にパッケージと称する場合がある。
図からわかるように、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅと速軸コリメータレンズＦＡＣとの間にパッケージ１０の窓部材１４が位置しており、速軸コリメータレンズＦＡＣを図示されている状態よりもＬＤ１２のエミッタ領域Ｅに近づけることはできない。前述した光源ユニット１００Ｐの場合、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離を、例えば０．３ミリメートル（ｍｍ）にすることができる。これに対して、パッケージ１０の内部に収容されたＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離（後述する「光学距離」を意味する）は、例えば１．５ｍｍ程度に増加する。エミッタ領域Ｅの中心は速軸コリメータレンズＦＡＣの前側焦点に位置する必要があるため、速軸コリメータレンズＦＡＣの焦点距離を長くする必要があり、必然的にコリメートビームＢの速軸（Ｙ軸）方向サイズが数倍に増加してしまう。コリメートビームＢの速軸サイズが増加すると、空間ビーム結合を行うために使用される収束光学系が大型化するなどの不都合が生じる。この不都合の詳細は後述する。
本開示の実施形態によれば、このような不都合を解決することが可能になる。以下、本開示の実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を説明する。
＜実施形態＞
光源ユニット
図４は、本実施形態における光源ユニット１００の基本的な構成例を示す図である。図５は、光源ユニット１００における一部のより詳細な模式断面図である。
まず、図４を参照して、光源ユニット１００の概略的な構成を説明する。図示されている例において、光源ユニット１００は、パッケージ１０と、第１レンズ系２０と、第２レンズ系３０とを備える。
パッケージ１０は、半導体レーザパッケージであって、レーザ光Ｌを出射するエミッタ領域Ｅを有するＬＤ１２と、レーザ光Ｌを透過する窓部材１４とを有し、ＬＤ１２を封止する。
第１レンズ系２０は、窓部材１４を透過したレーザ光Ｌを受け、エミッタ領域Ｅの像Ｅ’を像面２２に形成する。第１レンズ系２０は、コリメータレンズ２４および結像レンズ２６を有する。
第２レンズ系３０は、像面２２を通過したレーザ光Ｌをコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する。図４の例において、第２レンズ系３０は、レーザ光Ｌの伝搬方向（Ｚ軸）および速軸方向（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする速軸コリメータレンズＦＡＣと、Ｚ軸および遅軸方向（Ｘ軸）を含む平面（ＸＺ面）内でレーザ光Ｌをコリメートする遅軸コリメータレンズＳＡＣとを有する。
次に図５を参照して、光源ユニット１００の構成例を説明する。図５に示されるように、光源ユニット１００は、第１レンズ系２０を収容するレンズケース４０を備える。レンズケース４０は、第１スリーブ４２Ａと、第１レンズ鏡筒４４Ａと、第２スリーブ４２Ｂと、第２レンズ鏡筒４４Ｂとを有する。
第１スリーブ４２Ａは、パッケージ１０に固定されている。第１レンズ鏡筒４４Ａは、第１スリーブ４２Ａ内に固定され、コリメータレンズ２４を保持する。第２スリーブ４２Ｂは、第１スリーブ４２Ａおよび第１レンズ鏡筒４４Ａの少なくとも一方に接合されている。第２レンズ鏡筒４４Ｂは、第２スリーブ４２Ｂ内に固定され、結像レンズ２６を保持する。
なお、図５の例において、像面２２は、レンズケース４０から離れた位置に存在しているが、本開示の実施形態は、このような例に限定されない。像面２２はレンズケース４０の端面、または端面よりもレンズケース４０の内側に位置していてもよい。その場合、第２レンズ系３０を構成するレンズの少なくともひとつがレンズケース４０、具体的には第２スリーブ４２Ｂまたは第２スリーブ４２Ｂが有する窓部（透光性部材）上に固定され得る。
以下、光源ユニット１００の構成例をより詳細に説明する。
パッケージ１０
図６は、パッケージ１０の内部を模式的に示す斜視図であり、図７は、パッケージ１０の外部を模式的に示す斜視図である。
パッケージ１０は、レーザ光Ｌを出射するエミッタ領域Ｅを端面１２Ｆに有するＬＤ１２と、レーザ光Ｌを透過する窓部材１４とを含む。本実施形態において、パッケージ１０は、金属などの熱伝導性が高い材料から形成されたベース１５と、ベース１５上に配置されたＬＤ１２を覆うキャップ１６とを有している。図６に示されるように、本実施形態におけるベース１５は、ＸＺ面に平行に拡がるプレート状部分１５Ａと、プレート状部分１５ＡからＹ軸方向に突出する台状部分１５Ｂとを有している。ＬＤ１２は、端面１２Ｆが窓部材１４に近接して対向するように、台状部分１５Ｂの上面１５Ｃに接合されている。ベース１５の下面（底面）１５Ｄは、不図示のヒートシンクなどの放熱部材に熱的に接触する。ベース１５は、例えば、銅（Ｃｕ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されている。なお、図示される例において、ＬＤ１２はベース１５の上面に直接に支持されているが、ＬＤ１２はベース１５の上面に間接的に支持されていてもよい。例えば、ＬＤ１２とベース１５との間にサブマウントまたはヒートスプレッダが配置されていてもよい。サブマウントまたはヒートスプレッダも、例えばＣｕ、ＡｌＮなどの高熱伝導率材料から形成され得る。
ＬＤ１２とベース１５との間は絶縁層によって電気的に絶縁されていることが好ましい。ＬＤ１２を駆動するための配線（ワイヤ、導電層など）、および保護ダイオード素子などの回路要素は、簡単のため、図示されていない。これらの回路要素は、公知の構成を採用し得る。図６および図７には、給電のための複数のリード端子１９が記載されている。各リード端子１９は、上記の配線を介してＬＤ１２に電気的に接続されている。
図７に示されるように、キャップ１６は、例えば、上面部１６Ａ、および、上面部１６Ａに接続された側壁部１６Ｓを有し、その概略形状は、下方が開放された直方体であり得る。上面部１６Ａおよび側壁部１６Ｓは、同一の材料から形成されていてもよいし、異なる材料から形成された複数のパーツの組み合わせであってもよい。キャップ１６は、半田付けまたはろう付けによってプレート状部分１５Ａに接合され得る。
キャップ１６の側壁部１６Ｓのうちの正面側に位置する部分には、開口１６Ｗが設けられており、その開口１６Ｗは窓部材１４によって塞がれている。窓部材１４の典型例は、光学ガラス（屈折率：１．４以上）から形成された薄板である。窓部材１４がキャップ１６に取り付けられる形態は任意である。窓部材１４は、光学ガラスを金属枠に嵌めた形態を有していてもよい。窓部材１４は、キャップ１６の内側に固定されていてもよいし、外側に固定されていてもよい。また、キャップ１６の開口１６Ｗの内部に窓部材１４の全部または一部が位置していてもよい。なお、キャップ１６は、セラミックスまたは金属材料から形成され得るが、線膨張係数が窓部材１４を構成する光学ガラスの線膨張係数に近いコバールなどの材料から形成されることが好ましい。
キャップ１６の側壁部１６Ｓのうちの背面側に位置する部分には、ＬＤ１２を駆動するためのリード端子を通す貫通孔（不図示）が設けられ得る。
パッケージ１０の内部は、クリーン度の高い窒素ガスまたは希ガスなどの不活性ガスによって充填され、気密に封止され得る。ＬＤ１２は、例えば窒化物半導体系材料から形成された近紫外、青紫、青色、または緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であり得る。具体的には、ＬＤ１２の発振波長（中心波長）は、例えば３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある。
再び、図４および図５を参照する。前述したように、第１レンズ系２０は、窓部材１４を透過したレーザ光Ｌを受け、エミッタ領域Ｅの像Ｅ’を像面２２に形成する。像面２２は、エミッタ領域Ｅの各点から発せられた光線が第１レンズ系２０の屈折作用によって一点に収束して結像する面である。エミッタ領域Ｅと像面２２上の像Ｅ’は、共役の位置またはその近傍にある。本開示の実施形態において、エミッタ領域Ｅの中心を通るレーザ光Ｌの光軸と第１レンズ系２０の光軸とは一致している。本開示では、第１レンズ系２０の光軸に垂直な平面のうち、エミッタ領域Ｅの各点から発せられた光線が第１レンズ系２０によって収束する点の中心を通る平面を「像面」と定義する。像面２２にスクリーンを置いた場合、そのスクリーン上にはエミッタ領域Ｅの像Ｅ’が形成される。しかし、現実には像面２２にはスクリーンは配置されていないため、像Ｅ’は、自由空間中に位置する仮想光源として機能する。このような仮想光源を、エミッタ領域Ｅの中間像、再現像または転写像と呼んでもよい。
第２レンズ系３０は、像面２２を通過したレーザ光ＬをコリメートビームＢまたは収束ビームに変換して出射する。第２レンズ系３０は、像面２２に位置するエミッタ領域Ｅの像（仮想光源）Ｅ’から光を取り込むため、パッケージ１０の構造による物理的な制約（干渉）を受けることなく、第２レンズ系３０の焦点距離を短縮できる。
次に、図８および図９を参照して第１レンズ系２０の機能をより詳しく説明する。図８に示される例においては、窓部材１４と同様の構成およびサイズを有する第２窓部材１８が第１レンズ系２０の光路上に配置されている。第２窓部材１８は、第１レンズ系２０に関して窓部材１４の位置と対称な位置に配置されている。第２窓部材１８は、窓部材１４がレーザ光Ｌに及ぼす影響を補償し、像面２２に形成される像Ｅ’の形状がエミッタ領域Ｅの形状を正確に再現することに寄与する。例えば、第２窓部材１８をＸ軸に平行な軸またはＹ軸に平行な軸を中心として回転（傾斜またはチルト）させることにより、コマ収差を低減することが可能である。第２窓部材１８は、第１レンズ系２０は第２窓部材１８または第２窓部材１８の機能を発揮し得る光学部材を有していることが好ましい。
また、図８には、ＬＤ１２の端面１２Ｆから窓部材１４の外側表面１４Ｓまでの距離Ｌ０と、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２が示されている。図８に示される例では、Ｌ０＞Ｌ２となるように、第２レンズ系３０の速軸コリメータレンズＦＡＣが配置されている。こうして、パッケージ１０の構造による物理的な制約を受ける場合に比べて、第２レンズ系３０（具体的には速軸コリメータレンズＦＡＣ）の焦点距離を短縮し、コリメートビームＢの直径を小さくできる。ここでの「距離」は、「光学距離」を意味する。光学距離は、光線の経路に沿って線素ｄｓと屈折率ｎの積であるｎ・ｄｓを積分した値であり、「光学的距離」または「光路長」とも呼ばれる。距離Ｌ０は、窓部材１４の厚さが同じであっても、窓部材１４の屈折率に応じて異なり得る。窓部材１４の屈折率は空気の屈折率（約１．０）よりも高いため、窓部材１４の存在は光学距離を実質的に増加させる。窓部材１４の厚さは、典型的には０．２５ｍｍ程度である。窓部材１４が例えば屈折率１．５２のガラスから形成されている場合、窓部材１４だけで光学距離は０．３８（＝０．２５×１．５２）ｍｍに達し得る。更にＬＤ１２と窓部材１４との間には所定のギャップが存在するため、距離Ｌ０は１．０ｍｍ以上になることもある。なお、像面２２から第２レンズ系３０までの距離は、第２レンズ系３０に含まれるレンズなどの１個または複数個の光学素子が有する表面のうちで像面２２に最も近い位置にある表面と、像面２２との間の光学距離を意味する。本実施形態において、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２は、速軸コリメータレンズＦＡＣの「前側焦点距離」、「ワーキングディスタンス」、および「ＢＦＬ：Ｂａｃｋ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ」に相当する。
本実施形態によれば、距離Ｌ２、すなわち速軸コリメータレンズＦＡＣの「前側焦点距離」を１．０ｍｍ以下、典型的には０．８ｍｍ以下にできるし、０．５ｍｍ以下の値（例えば約０．３ｍｍ）にすることも可能である。こうして、ＬＤ１２を、封止されたパッケージ１０の内部に収容しながら、コリメートビームＢの速軸（Ｙ軸）方向サイズを小さく維持できる。その結果、空間ビーム結合を行うときに収束のための光学系を大型化することなく、長期信頼性を高めることが可能になる。
本開示の実施形態では、図９に示すように、第１レンズ系２０がコリメータレンズ２４と結像レンズ２６とを含むリレーレンズである。コリメータレンズ２４と結像レンズ２６を用いることにより、無限遠補正光学系を形成することができる。第１レンズ系２０は、さらに他のレンズを含んでいてもよい。コリメータレンズ２４および結像レンズ２６も、それぞれ、組レンズであってもよい。組レンズを採用することにより、収差を低減してビーム品質の劣化を抑制することができる。
図９の例において、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅは、コリメータレンズ２４の前側焦点に位置している。像面２２は、結像レンズ２６の後側焦点に位置している。本開示の実施形態において、結像レンズ２６の実効焦点距離Ｆ２は、コリメータレンズ２４の実効焦点距離Ｆ１以上である。実効焦点距離は、レンズの主点から焦点までの距離を意味する。像面２２に形成される像の横倍率は、Ｆ２／Ｆ１であるため、像面２２におけるエミッタ領域Ｅの像Ｅ’の大きさは、エミッタ領域Ｅの大きさのＦ２／Ｆ１倍である。Ｆ２がＦ１よりも大きいと、拡大されたエミッタ領域Ｅの像Ｅ’が仮想光源として機能する。ここで、仮想光源の速軸方向（Ｙ軸）のサイズ、すなわち像面２２における速軸方向ビーム径を２×ωｙ１とする。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）をθｙ１とする。一方、実際のエミッタ領域Ｅの速軸サイズ、すなわちエミッタ領域Ｅにおける速軸方向ビーム径を２×ωｙ０とする。また、エミッタ領域Ｅから出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）をθｙ０とする。ビーム品質が劣化しない条件のもとでは、ωｙ０×θｙ０＝ωｙ１×θｙ１の関係が成立する。したがって、Ｆ２／Ｆ１が１より大きいと、ωｙ０よりもωｙ１が大きくなり、θｙ１がθｙ０よりも小さくなる。その結果、第２レンズ系３０（速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣ）の開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。このことの技術的意義については、後述する。
なお第２レンズ系３０は、コリメートビームを出射する光学系に限定されず、収束ビームを出射する光学系であってよい。
本実施形態において、像面２２から第２レンズ系３０までの距離Ｌ２は、像面２２から速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離によって規定される。ここで、像面２２から速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離とは、速軸コリメータレンズＦＡＣの表面のうちで像面２２に最も近い位置にある表面と像面２２との間の光学距離を意味する。非球面レンズを用いず、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを用いることにより、速軸および遅軸のそれぞれについて個別に適切なコリメートを実現できる。本開示の実施形態によれば、像面２２に近い位置に速軸コリメータレンズＦＡＣを配置することにより、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離を短くし、コリメートビームＢの速軸サイズを小さくすることができる。
本開示の実施形態において、第２レンズ系３０が、像面２２の側から順に配置された速軸コリメータレンズＦＡＣおよび遅軸コリメータレンズＳＡＣを含む場合、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離ＥＦＬを１．０ｍｍ以下にすることにより、コリメートビームＢの速軸サイズを、例えば１．０ｍｍ以下（例えば０．８ｍｍ程度）にすることが可能になる。コリメートビームＢの速軸サイズが小さいと、複数のコリメートビームＢを空間的に結合するための光学系および装置（ビームコンバイナ）を小さくすることができる。
なお、像面２２の位置に開口絞りを配置してもよい。仮想光源として機能するエミッタ像Ｅ’の周辺部における不要な光を開口絞りによって遮断することができる。コリメートビームＢが光ファイバに入射するとき、ファイバ結合にとって不要な干渉光（エアリディスクの外側に形成される干渉光）が、上記の開口絞りの働きによって取り除かれる。
レンズケース４０
次に図１０を参照して、本開示の実施形態におけるレンズケース４０の構成例を説明する。
前述したように、レンズケース４０は、第１スリーブ４２Ａと、第１レンズ鏡筒４４Ａと、第２スリーブ４２Ｂと、第２レンズ鏡筒４４Ｂとを有する。これらの各要素は、いずれも、概略的には、一点鎖線で示すレンズ光軸Ｃの周りに軸対称な形状を有している。このため、レンズケース４０の外形は、ほぼ円柱状であり得る。
第１スリーブ４２Ａおよび第２スリーブ４２Ｂは、それぞれ、金属材料から形成され得るが、例えば室温で線膨張係数が略ゼロの小さな値を示すインバーなどの金属材料から形成されることが好ましい。インバーは、３６％程度のニッケルを含有する鉄基合金の一種であり、常温付近で熱膨張率が極小値を示す低熱膨張材である。一方、第１レンズ鏡筒４４Ａおよび第２レンズ鏡筒４４Ｂは、それぞれ、金属材料から形成され得るが、線膨張係数がレンズ用ガラスの線膨張係数に近いコバールなどの材料から形成され得る。第１レンズ鏡筒４４Ａがコリメータレンズ２４に接合され、第２レンズ鏡筒４４Ｂが結像レンズ２６に接合される場合、線膨張係数が近い材料を使用する方が接合の劣化が生じにくいからである。
第１レンズ鏡筒４４Ａは、第１スリーブ４２Ａ内に固定され、コリメータレンズ２４を保持している。第２スリーブ４２Ｂは、第１スリーブ４２Ａおよび第１レンズ鏡筒４４Ａの少なくとも一方に接合されている。第２レンズ鏡筒４４Ｂは、第２スリーブ４２Ｂ内に固定され、結像レンズ２６を保持している。 ある実施形態において、第１レンズ鏡筒４４Ａの内側面とコリメータレンズ２４の外側面とは、例えば紫外線硬化樹脂または低融点ガラスなどによって接合され得る。同様に、第２レンズ鏡筒４４Ｂの内側面と結像レンズ２６の外側面とは、例えば紫外線硬化樹脂または低融点ガラスなどによって接合され得る。他の実施形態において、第１レンズ鏡筒４４Ａとコリメータレンズ２４の固定は、第１レンズ鏡筒４４Ａとコリメータレンズ２４を一体成型することによって行われ得る。具体的には、第１レンズ鏡筒４４Ａおよび金型内にレンズ材料を入れ、レンズ材料を加熱してプレス加工をすることで第１レンズ鏡筒４４Ａとコリメータレンズ２４が一体化される。同様に、第２レンズ鏡筒４４Ｂと結像レンズ２６との固定も、一体成型によって行われ得る。そのような一体成型を行う場合、鏡筒材料の線膨張係数はガラスの線膨張係数より大きいことが望ましい。一体成型の工程時に鏡筒材料およびガラスを加熱し、その後の冷却過程時に熱収縮する鏡筒材料でレンズを押圧する効果を得るためである。このような効果により、レンズが鏡筒から脱落することを抑制できる。ガラスの線膨張係数より大きな鏡筒材料の例は、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、ＳＦ２０Ｆ）を含む。
第１レンズ鏡筒４４Ａの外側面と第１スリーブ４２Ａの内側面とは、例えばＹＡＧレーザもしくはファイバレーザによる溶着によって接合され得る。同様に、第２レンズ鏡筒４４Ｂの外側面と第２スリーブ４２Ｂの内側面とは、例えばＹＡＧレーザもしくはファイバレーザによる溶着によって接合され得る。
第２スリーブ４２Ｂは、第１スリーブ４２Ａおよび第１レンズ鏡筒４４Ａの少なくとも一方に接合されている。この接合は、これらの要素が金属材料から形成されている場合、溶接によって行うことができる。
次に図１１を参照する。図１１に示されるように、第１スリーブ４２Ａがパッケージ１０に固定される。より詳細には、第１スリーブ４２Ａは、キャップ１６の正面側に位置する側壁部１６Ｓの窓部材の周囲に固定され得る。この固定は、キャップ１６および第１スリーブ４２Ａの両方が金属材料から形成されている場合、溶接によって行うことができる。
レンズケース４０は、パッケージ１０に対して堅牢に固定されることが好ましい。本実施形態では、レンズケース４０がパッケージ１０に固定されているため、レンズケース４０に収容されている第１レンズ系２０に含まれるコリメータレンズ２４および／または結像レンズ２６の位置および向きにアライメントずれが発生しにくい。また、パッケージ１０のキャップ１６とレンズケース４０の第１スリーブ４２Ａが金属材料から形成されている場合は、両者を溶接によって強固に接合することができるので、より堅牢性を高めることが可能になる。
光源ユニット１００の動作中は、パッケージ１０内のＬＤ１２が発する熱によって、パッケージ１０の一部が膨張して変形が生じ得る。そのような場合、コリメータレンズ２４および／または結像レンズ２６の位置および向きにアライメントずれが発生し得る。このようなアライメントずれは、光源ユニット１００から出射されるコリメートビームまたは収束ビームのビーム品質を低下させる可能性がある。
図１２および図１３を参照して、パッケージ１０が熱膨張によって変形しても光源ユニット１００から出射されるレーザビームの方向がずれにくい構成例を説明する。図１２は、第１スリーブ４２Ａが中間板５０を介してパッケージ１０に接続される形態を模式的に示す断面図である。図１３は、中間板５０の正面(左側)および断面(右側)を示す図である。
この例において、中間板５０は、パッケージ１０の側壁部１６Ｓにおける窓部材１４の周囲の少なくとも一部に接合されている。この接合は、例えば半田付け、ロウ付けなどによって行われ得る。中間板５０は、中央に開口５０Ｗを有している。中間板５０は、金属材料から形成されていることが好ましく、パッケージ１０の側壁部１６Ｓに接合される第１領域５０Ａと、側壁部１６Ｓに隙間を介して対向する第２領域５０Ｂとを有している。中間板５０の第２領域５０Ｂは、第１領域５０Ａよりもベース１５の下面１５Ｄに近く、第２領域５０Ｂは第１領域５０Ａよりも薄い。このような中間板５０を介して、第１スリーブ４２Ａはパッケージ１０に接合される。
パッケージ１０の側壁部１６Ｓから中間板５０の第２領域５０Ｂまでの距離、すなわち、上記の隙間の大きさは、ＬＤ１２が動作していないとき、例えば５０0μｍ～３５０μｍ程度である。ＬＤ１２が動作時に発熱すると、ベース１５が熱膨張するため、ＸＺ面に平行な平面内におけるパッケージ１０の寸法は、上部よりも下部において、相対的に大きくなる。図１２では、ベース１５が熱膨張するとき、ベース１５のプレート状部分１５Ａが矢印Jの方向に延びる様子を模式的に示している。
上記の構成を備える中間板５０を用いることにより、ＬＤ１２が動作中に発する熱によってベース１５がＺ軸方向に膨張しても、中間板５０の第２領域５０Ｂとパッケージ１０の側壁部１６Ｓとの間に存在する隙間が干渉抑制のための空間として機能する。その結果、ベース１５の熱膨張に起因するレンズケース４０の変形を抑制することが可能になる。
中間板５０は、図１３に示されるように、上端５０Ｔおよび下端５０Ｄを有している。中間板５０の第１領域５０Ａと第２領域５０Ｂとの境界５０Ｘは、上端５０Ｔと下端５０Ｄとの間に位置している。第１領域５０Ａは、上端５０Ｔから境界５０Ｘまでの距離によって規定される高さｈ１を有している。言い換えると、高さｈ１は、中間板５０がパッケージ１０に接触している領域のＹ軸方向におけるサイズである。第２領域５０Ｂは、下端５０Ｄから境界５０Ｘまでの距離によって規定される高さｈ２を有している。第２領域５０Ｂの高さｈ２は、例えば、中間板５０の上端５０Ｔから下端５０Ｄまでの距離（ｈ１＋ｈ２）の２０％以上５０％以下である。第２領域５０Ｂの高さｈ２が、距離（ｈ１＋ｈ２）の５０％を超えて大きくなると、中間板５０とパッケージ１０との接合面の面積が小さくなって接合強度が不十分になる可能性がある。このため、高さｈ２は、中間板５０の上端５０Ｔから下端５０Ｄまでの距離（ｈ１＋ｈ２）の５０％以下であることが好ましい。一方、高さｈ２が小さすぎると、熱膨張によってＺ軸方向に延びるベース１５との干渉を抑制する効果が得られにくくなる。このため、高さｈ２は、中間板５０の上端５０Ｔから下端５０Ｄまでの距離（ｈ１＋ｈ２）の２０％以上であることが好ましい。
中間板５０の第１領域５０Ａの厚さは、例えば０．４～１．０ｍｍ程度であり、第２領域５０Ｂは、例えば０．３～０．９ｍｍ程度である。
第１スリーブ４２Ａおよび第２スリーブ４２Ｂが第１の金属材料から形成されている場合、第１レンズ鏡筒４４Ａおよび第２レンズ鏡筒４４Ｂは、第１の金属材料の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する第２の金属材料から形成されていることが好ましい。ベース１５の熱膨張によってＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから第１レンズ系２０までの距離が短縮した場合、熱によってレンズ鏡筒４４Ａ、４４Ｂがスリーブ４２Ａ、４２Ｂよりも横方向（Ｚ軸方向）に長く膨張する。このため、結像レンズ２６から第２スリーブ４２Ｂの先端までの距離が短縮される。このことは、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅからコリメータレンズ２４までの距離の短縮を相殺または補償する。その結果、熱による、第２スリーブ４２Ｂに対する像面の位置ずれが生じにくくなり(アサーマル効果)、ビーム品質の劣化が抑制される。このアサーマル効果は、後述する実施例について、より詳細に説明する。
本開示の実施形態において、第１スリーブ４２Ａは中間板５０に溶接され、かつ、第２スリーブ４２Ｂは第１レンズ鏡筒４４Ａに溶接され得る。溶接による固定を行うことより、堅牢な光源ユニットが実現し、取り付け中または動作中に、アライメントずれが生じにくくなる。
図１３に示される中間板５０は、概略的には、リング形状を有しているが、中間板５０の形状は、この例に限定されない。パッケージ１０内のＬＤ１２から出射されたレーザ光を透過させることが可能な形状およびサイズの開口５０Ｗが設けられていれば、中間板５０の概略形状は、矩形であってもよいし、六角形などの多角形であってもよい。開口５０Ｗの形状も円である必要はなく、楕円または多角形であってよい。
なお、図１２において、Ｚ軸の「負」の方向から見える中間板５０の面（背面側の面）は、第１領域５０Ａと第２領域５０Ｂとの境界５０Ｘに段差を有しているが、Ｚ軸の「正」の方向から見える中間板５０の面（正面側の面）は、平坦である。中間板５０の正面側の平坦な面は、第１スリーブ４２Ａの端面に接合される。この接合は、例えば溶接によって行われる。なお、中間板５０の正面側の面に段差および／または凹部が形成されていてもよい。
図１２および図１３の例において、中間板５０の第２領域５０Ｂは、ほぼ一様な厚さを有しているが、パッケージ１０のキャップ１６およびベース１５と干渉しないように、さらに厚さが減じられた部分を含んでいてもよい。例えば、ベース１５のプレート状部分１５Ａがキャップ１６のＺ軸方向に側壁部１６Ｓよりも突出している形態では、そのようなプレート状部分１５Ａに対しても隙間を形成して熱膨張時の干渉を避けるように、中間板５０の第２領域５０Ｂの形状および厚さが調整され得る。中間板５０の第１領域５０Ａも、全体が平坦である必要はなく、十分な広さの接触面積が確保できている限り、相対的に薄い領域を部分的に含んでいてもよい。
＜実施例＞
次に、図１４から図１６を参照して、本開示による実施例に係る光源ユニット１００を説明する。図１４は、光源ユニット１００の断面図である。図１５は、光源ユニット１００の中間板５０の構成を示す図である。図１６は、動作中の熱膨張によって光源ユニットの一部が変形したときの光軸ずれを誇張して示す断面図である。
本実施例では、コリメータレンズ２４および結像レンズ２６は、同一の光学ガラスから形成され、同一の形状およびサイズを有している。このため、Ｆ２／Ｆ１＝１の関係が成立する(図９参照)。本実施例における光源ユニット１００の各構成要素は、それぞれ、前述した実施形態における各構成要素に対応している。対応する構成要素には同一の参照符号を付し、各構成要素の説明は繰り返さない。
本実施例では、ＬＤ１２とベース１５との間にサブマウント１７が配置されている。また、コリメータレンズ２４および結像レンズ２６は、それぞれ、レーザ光が透過しない周辺部分をカットした形状を有している。このような形状を有するレンズ２４、２６の外側面にレンズ鏡筒４４Ａ、４４Ｂの内側面は整合している。
本実施例における中間板５０は、図１５に示されるように、パッケージ１０の側壁部１６Ｓに接合される第１領域５０Ａと、側壁部１６Ｓに隙間を介して対向する第２領域５０Ｂとを有している。第１領域５０Ａの高さはｈ１、第２領域５０Ｂの高さはｈ２である。第２領域５０Ｂは、厚さがｔ０である第１領域５０Ａよりも全体として薄く、厚さがｔ１である領域と厚さがｔ２である領域を含んでいる。ここで、ｔ０＞ｔ１＞ｔ２が成立している。本実施例の中間板５０では、第１領域５０Ａと第２領域５０Ｂとの間に境界５０Ｘ１が位置し、第２領域５０Ｂの相対的に厚い部分(厚さｔ１)と相対的に薄い部分(厚さｔ２)との間に境界５０Ｘ２が位置している。第２領域５０Ｂの相対的に薄い部分は、ベース１５のプレート状部分１５Ａと中間板５０との間に隙間を確保する厚さおよび形状を有している。
このように中間板５０の形状およびサイズは、上部でパッケージ１０に接合され、下部でパッケージ１０から離間するように、パッケージ１０の外形に応じて調整され得る。
本実施例では、パッケージ１０の側壁部１６Ｓおよびベース１５のプレート状部分１５Ａの端面から中間板５０の第２領域５０Ｂまでの距離、すなわち、上記の隙間の大きさが、ＬＤ１２が動作していないとき、例えば５０μｍ～３５０ｍｍ程度である。ＬＤ１２が動作時に発熱すると、ベース１５が熱膨張するため、ＸＺ面に平行な平面内におけるパッケージ１０の寸法は、上部よりも下部において、相対的に大きくなるが、前述した構成を中間板５０が有しているため、パッケージ１０の形状の変化によるレンズケース４０のアライメントずれは生じにくい。
図１６には、パッケージ１０が矢印Ｊの方向に熱膨張することによって生じ得る、エミッタ領域Ｅの像面２２上における像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹが誇張して示されている。このΔＹは、図１６において不図示のレンズケース４０がＹ軸の正方向に傾斜する程度、すなわち勾配角度θに比例する。このような傾斜は、図１６では、第１レンズ系２０（不図示）の光軸が一点鎖線で示されている。この光軸がＹ軸の正方向に傾斜すると、勾配角度θで示される方向に像Ｅ’の位置がシフトする。この例において、勾配角度θの単位をラジアンとすると、勾配角度θは、例えば１０－４ラジアン程度の小さな値であるため、ΔＹは、エミッタ領域Ｅから像Ｅ’までの距離と勾配角度θとの積に近似的に等しい。なお、ベース１５の熱膨張によってＬＤ１２のエミッタ領域Ｅの位置がＹ軸の正方向に移動すると、エミッタ領域Ｅの像面２２上における像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹは負の値を示すことがある。これは、第１レンズ系２０が有する光学的な結像作用の結果として、エミッタ領域Ｅの位置が第１レンズ系２０の光軸に対して垂直な方向にシフトしたとき、そのシフトの量×横倍率に等しい距離だけ、像面２２における像(仮想光源)Ｅ’が反対の方向に移動するからである。ベース１５の材料として熱膨張率が相対的に大きな材料、例えば銅を採用した場合、ベース１５が矢印Ｊの方向に熱膨張することによって生じるレンズケース４０の傾斜と、ベース１５がＹ軸方向に熱膨張することによって生じる第１レンズ系２０の光軸に対するシフトとの両方が仮想光源Ｅ’の位置ずれに影響を及ぼし得る。
本実施例では、後述するサンプル１、２、３について、像面２２上における像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹを評価した。その結果、サンプル２のΔＹは約０．５μｍであり、サンプル１、３のΔＹは－１．０μｍ程度であった。ΔＹの絶対値は、ベース１５の熱膨張の程度に応じて増加する傾向がある。このため、ベース１５は、熱伝導率が高く、線膨張係数が低い材料、例えばＡｌＮから形成されていることが好ましい。サンプル２では、特に小さなΔＹが実現した。その理由は、中間板５０の存在がレンズケース４０の傾斜を抑制する効果を発揮するためと考えられる。
図１７は、サンプル２について、ＬＤ１２の位置を基準としたときの像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹの大きさと、中間板５０における第２領域５０Ｂの高さｈ２との関係を示すグラフである。この例において、中間板５０の高さ（＝ｈ１＋ｈ２）は、６ｍｍでった。ｈ２＝１．７５ｍｍのとき、像(仮想光源)Ｅ’の位置ずれΔＹが最も小さくなった。前述したように、第２領域５０Ｂの高さｈ２の好ましい値は、（ｈ１＋ｈ２）の２０％以上５０％以下の範囲内である。
本実施例では、速軸コリメータレンズＦＡＣがレンズケース４０に固定されている。具体的には、速軸コリメータレンズＦＡＣは、レンズケース４０の第２スリーブ４２Ｂ上に固定されており、像面２２から第２レンズ系３０までの距離は、像面２２から速軸コリメータレンズＦＡＣまでの距離に相当する。速軸コリメータレンズＦＡＣが第２スリーブ４２Ｂ上に固定されることにより、第１レンズ系２０に対する速軸コリメータレンズＦＡＣの位置がずれにくく、アライメントずれに起因するビーム品質低下を抑制することが可能になる。
第２スリーブ４２Ｂに対する速軸コリメータレンズＦＡＣの固定方法は任意である。例えば、Ｘ軸方向に延びる速軸コリメータレンズＦＡＣを、第２スリーブ４２Ｂの端面に位置する開口を跨ぐように配置し、速軸コリメータレンズＦＡＣと第２スリーブ４２Ｂの端面とを紫外線硬化樹脂によって接合してもよい。図１４には示されていないが、第２スリーブ４２Ｂの端面に位置する開口は、図８の第２窓部材１８に相当するガラス部材が嵌め込まれていることが好ましい。
本実施例において、像面２２から第２レンズ系３０までの距離は、１．０ｍｍ以下、具体的には１００μｍ以下である。一方、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから窓部材１４外側表面までの距離は、１．０ｍｍ程度である。このように、像面２２から第２レンズ系３０までの距離は、ＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから窓部材１４外側表面までの距離よりも短い。その結果、従来のパッケージの構造による物理的な制約を受ける場合に比べて、第２レンズ系３０の実効焦点距離を短縮し、コリメートビームの直径を小さくできる。
本実施例では、以下の表１に示すように、ベース１５はＣｕまたはＡｌＮから形成され、中間板５０、第１スリーブ４２Ａおよび第２スリーブ４２Ｂは、ステンレス(ＳＵＳ４３０)またはインバーから形成されている。第１レンズ鏡筒４４Ａおよび第２レンズ鏡筒４４Ｂは、ステンレスおよびインバーのそれぞれの線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有するコバールから形成されている。
ベース１５の下面１５Ｄがヒートシンクに接している場合でも、動作時には部分的に７０℃以上の温度に達するＬＤ１２から発せられる熱によってベース１５の温度は室温よりも上昇する。このとき、ベース１５の熱膨張によってＬＤ１２のエミッタ領域Ｅから第１レンズ系２０までの距離が短縮する。この熱は、ベース１５からキャップ１６および中間板５０を通ってレンズケース４０に流れていく。その結果、レンズ鏡筒４４Ａ、４４Ｂがスリーブ４２Ａ、４２Ｂよりも横方向（Ｚ軸方向）に長く膨張する。このため、レンズ鏡筒４４Ａ、４４ＢのＺ軸方向における合計の長さは、スリーブ４２Ａ、４２ＢのＺ軸方向における合計の長さよりも相対的に長くなり、結像レンズ２６から第２スリーブ４２Ｂの先端までの距離が短縮される。このことは、熱膨張に起因して生じるＬＤ１２のエミッタ領域Ｅからコリメータレンズ２４までの距離の短縮を相殺する。
Figure 2022021419000002
上記のサンプル１から３は、いずれも、以下の構成を備えている。
ベース１５の下面１５Ｄのサイズは、６ｍｍ×６．９ｍｍ、台状部分１５Ｂの上面１５Ｃのサイズは、４ｍｍ×４．９ｍｍ、台状部分１５Ｂの厚さは下面１５Ｄから計測して２．９ｍｍ、プレート状部分１５Ａの厚さは０．７ｍｍである。
キャップ１６はインバーから形成されており、キャップの高さは５．５ｍｍ、厚さは０．３ｍｍである。
中間板５０の厚さｔ０、ｔ１、ｔ２は、それぞれ、０．５、０．４２、０．２ｍｍであり、高さｈ１およびｈ２は、それぞれ、４．２５、１．７５ｍｍである。第１スリーブ４２Ａおよび第２スリーブ４２Ｂの光軸方向長さは、それぞれ、２．４、８．１９ｍｍであり、第１レンズ鏡筒４４Ａおよび第２レンズ鏡筒４４Ｂの光軸方向長さは、それぞれ、４．２ｍｍである。
第１および第２レンズ鏡筒４４Ａ、４４Ｂの外径（直径）は、５．６ｍｍ、第１および第２スリーブ４２Ａ、４２Ｂの外径（直径）は、６．１ｍｍ、コリメータレンズ２４および結像レンズ２６の外径（直径）は、４．２ｍｍである。
これらのサンプルでは、コリメータレンズ２４の実効焦点距離は、結像レンズ２６の実効焦点距離に等しく、３．０ｍｍである。また、第１レンズ系２０の横倍率は１である。
図１８は、光源ユニット１００の第１レンズ系２０の光軸上における幾つかの評価点位置を示す断面図である。図示される評価点Ｚ０はＬＤ１２の光出射点、Ｚ１はコリメータレンズ２４の光入射点、Ｚ２はコリメータレンズ２４の光出射点、Ｚ３は結像レンズ２６の光入射点、Ｚ４はコリメータレンズ２４の光出射点、Ｚ５は結像点である。図１８には、表２に示す各距離が記載されている。
Figure 2022021419000003
なお、各サンプルでは、室温において、Ｌｄ＝Ｌａ＋Ｌｃ＋Ｌｂである。
図１９は、上記のサンプル１～３について、評価点Ｚ０を基準（０．０ｍｍ）とするとき、ＬＤ１２が発する熱による各評価点Ｚ１～Ｚ５のＺ軸方向における変位の大きさを示すグラフである。図１９において、三角のポイントを通る点線はサンプル１、円のポイントを通る太線はサンプル２、四角のポイントを通る細線はサンプル３における評価点の変位を示している。
サンプル１に比べると、サンプル２、３では、各評価点の変位は小さい。図１９から分かるように、ＬＤ１２の光出射点Ｚ０を基準とするコリメータレンズ２４の光入射点Ｚ１の変位がマイナスである。このことは、ベース１５の熱膨張により、ＬＤ１２の光出射点Ｚ０がＺ軸の正方向にシフトし、ＬＤ１２の光出射点Ｚ０からコリメータレンズ２４の光入射点Ｚ１までの距離Ｌａが短くなることを意味している。
サンプル１において、評価点Ｚ３、Ｚ５が相対的に大きな値を示している。このことは、コリメータレンズ２４の光出射点Ｚ２から結像レンズ２６の光入射点Ｚ３までの距離と、結像レンズ２６の光出射点Ｚ４から結像点Ｚ５までの距離が増加していることを意味している。このような距離の増加は、主として、スリーブ４２Ａ、４２ＢのＺ軸方向における熱膨張に起因する考えられる。
一方、サンプル２、３においては、いずれの評価点の変位も１．０μｍ未満である。特に、サンプル１に比べて大きく異なる点は、結像レンズ２６の光出射点Ｚ４から結像点Ｚ５までの距離がほとんど増加していないことにある。図１８を参照すると、ＬＤ１２から発せられる熱により、距離Ｌａは短くなるが、距離Ｌｂはわずかに増加する。このような熱膨張による距離変化が相殺される効果を「アサ―マル効果」と呼ぶことができる。
レーザ光源モジュール
次に、図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２０Ｃを参照して、本開示によるレーザ光源モジュールの実施形態を説明する。図２０Ａは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール２００のＸＺ面の法線方向からみた模式的な上面図、図２０ＢはＹＺ面の法線方向からみたレーザ光源モジュール２００の一部の模式的な側面図、図２０ＣはＸＹ面の法線方向からみた模式的な正面図である。図示されている構成は、筐体（ハウジング）の内部に収容されている。
レーザ光源モジュール２００は、複数のレーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃと、ビームコンバイナ１２０とを備えている。複数のレーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃのそれぞれは、前述の光源ユニット１００である。以下、簡単のため、レーザ光源１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを総称して「光源ユニット１００」と略記する場合がある。１個のレーザ光源モジュール２００に含まれる光源ユニット１００の個数は任意である。この例において、光源ユニット１００の個数は３であるが、典型的には４以上である。図２１は、９個の光源ユニット１００を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。光源ユニット１００の個数に比例して結合ビームの光出力および光強度を高めることが可能になる。限られた空間内を多数のコリメートビームで充填して充填率を高めるには、コリメートビームの速軸サイズを小さくして、Ｙ軸（速軸）方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳを短縮することが好ましい。
なお、コリメートビームＢは、図面において完全な平行光として簡略的に記載されているが、現実のコリメートビームＢは、ビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角で発散する。このため、図２１に示される例において、光源ユニット１００の個数が多くなりすぎると、収束光学系１６０から離れた位置にある光源ユニット１００からのコリメートビームＢについては、その光路が長大になってビーム径が大きく発散する可能性がある。一例として、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離が０．３ｍｍの場合、速軸コリメータレンズＦＡＣからコリメートビームＢのビームウエストまでの距離は例えば５０ｍｍ程度である。このような例では、光源ユニット１００の個数が１０を超えて多くなると、最大光路長が５０ｍｍを大きく超える。その結果、一部のコリメートビームＢの発散が無視できず、コアサイズの小さな光ファイバに対して適切に集光することが難しくなる可能性がある。このため、空間ビーム結合によって結合するべきコリメートビームＢの本数は、単純に多ければ多いほどよいわけではなく、条件に応じて適切な範囲に設定されることが望ましい。
ビームコンバイナ１２０は、複数の光源ユニット１００から出射された複数のコリメートビームＢを空間的に結合する。本実施形態において、各光源ユニット１００から出射されたコリメートビームＢは、ほぼ同一の波長（例えば、約４６５ｎｍ±１０ｎｍ）を有しているが、位相は相互に同期されていない。このため、複数のコリメートビームＢは、インコヒーレントに結合される。
本実施形態において、レーザ光源モジュール２００は、基準平面Ｒｅｆから複数のコリメートビームＢの中心までの距離（高さ）Ｈがそれぞれ異なるように複数の光源ユニット１００を支持する支持基体（サポート）１４０を備える。サポート１４０は、図２０Ｂに示されるように、複数の段差を有する載置面１４０Ｔを有している。Ｙ軸（速軸）方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳは、サポート１４０の載置面１４０Ｔにおける段差の大きさに相当する。中心間ピッチＳは、例えば２００μｍ以上３５０μｍの範囲内に設定され得るが、わかりやすさのため、図２０Ｂ、図２０Ｃおよび図２１では、段差が誇張して大きく記載されている。光源ユニット１００は、図２０Ａに示されるように、Ｚ軸方向に沿って中心間ピッチＰで配列されている。
本実施形態におけるビームコンバイナ１２０は、複数のコリメートビームＢをそれぞれ反射する複数のミラーＭを有するミラーアレイを含んでいる。具体的には、サポート１４０の載置面１４０Ｔが、光源ユニット１００の個数に対応する個数のミラーＭを異なる高さ（レベル位置）で支持している。各ミラーＭの位置および向きは、対応するコリメートビームＢを反射して収束光学系１６０に向けるようにアライメントされている。典型例において、ミラーＭは、Ｙ軸に平行な軸の周りにコリメートビームＢを９０度回転させる。こうして、本実施形態のミラーＭのアレイは、反射された複数のコリメートビームＢを基準平面Ｒｅｆに垂直な面（ＹＺ面）に沿って伝搬させる。なお、ミラーＭは、不図示の筐体壁に固定されていてもよいし、それぞれのミラーＭの位置および向きを調整することが可能な部品を介して固定されていてもよい。なお、ミラーＭの反射面は、入射するコリメートビームＢの波長において選択的に高い反射率を有する多層膜から形成されていることが望ましい。
Ｙ軸方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳは、個々のミラーＭのＹ軸方向におけるサイズよりも大きい。個々のミラーＭのＹ軸方向におけるサイズは、典型例において、個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２の２倍以上に設定される。ここで、ωｙ２は、厳密には、コリメートビームＢのビームウエストにおける値であるが、発散半角が充分に小さいため、この例における光路上でコリメートビームＢのＹ軸方向半径はωｙ２にほぼ等しいと近似してもよい。本実施形態において、Ｓ＞２×ωｙ２が成立している。ωｙ２が例えば１００μｍのとき、Ｓは例えば３００μｍ（＝３．０×ωｙ２）に設定され得る。個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２が小さいほど、中心間ピッチＳを小さくすることができる。ここで、本実施形態における光源ユニット１００ではなく、図３Ｂに示すような光源ユニット１００Ｑを採用した場合、個々のコリメートビームＢのＹ軸方向半径ωｙ２は、１ｍｍ程度に達する。そのため、段差の大きさＳも１ｍｍ程度以上にする必要があり、空間ビーム結合後のビーム径が大きくなりすぎる。また、このような問題は、例えば図２１に示すように、光源ユニット１００の個数が大きくなるほど、顕著になる。しかし、本実施形態における光源ユニット１００を用いることにより、この問題を解決できる。
Ｙ軸方向におけるコリメートビームＢの中心間ピッチＳを決定するとき、光源ユニット１００どうしの物理的な干渉を気にする必要はない。これに対して、Ｚ軸方向における中心間ピッチＰは、隣接する２個の光源ユニット１００が物理的に干渉しないように決定される。
ビームコンバイナ１２０は、複数のミラーＭによってそれぞれ反射された複数のコリメートビームＢを収束する光学系１６０を含む。本実施形態における光学系１６０は、複数のコリメートビームＢを不図示の光ファイバに光結合する。なお、ミラーＭの反射面は平坦である必要はない。ミラーＭは、光学系１６０が有する収束機能の少なくとも一部を担っていてもよい。また、ビームコンバイナ１２０は、ミラーＭ以外の光学部品、例えば波長選択性を有するフィルタ、を有していてもよい。
図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃ、および図２１に示されている構成は、不図示の筐体に収容され得る。筐体そのものをパッケージと呼ぶ場合があるが、前述の半導体レーザパッケージに比べると、内部に部品点数が多く、光集塵効果を十分に抑制するほどのクリーン度を達成して気密性を維持することは難しい。
以下、図２２Ａおよび図２２Ｂを参照して、複数のコリメートビームＢを結合する光学系１６０の構成例について説明する。図２２Ａおよび図２２Ｂは、それぞれ、速軸（Ｙ軸）方向に沿って中心間ピッチＳで並んだｎ本のコリメートビームＢを収束する光学系１６０の構成例を示している。図２２Ａの例と図２２Ｂの例との間にある相違点は、速軸コリメータレンズＦＡＣの違いにある。
図示されている例において、ｎは３以上の奇数であるが、ｎは偶数であってもよい。また、簡単のため、コリメートビームＢとして、完全に平行な光線が図面に記載されているが、前述したように、現実のコリメートビームＢはビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角度で発散する。光学系１６０に入射するｎ本のコリメートビームＢのＹ軸方向における全体サイズを２×ＲＴＹとすると、２×ＲＴＹ＝Ｓ×（ｎ－１）＋２×ωｙ２の関係が成立する。この関係は、ＲＴＹ＝Ｓ×（ｎ－１）／２＋ωｙ２に書き換えることができる。なお、ｎ本のコリメートビームＢは、速軸（Ｙ軸）方向に沿って直線状に並んでいるため、ｎ本のコリメートビームＢのＸ軸方向における全体サイズは、個々のコリメートビームＢのＸ軸方向におけるサイズ２×ωｘ２に等しい。
図２２Ａおよび図２２Ｂの光学系１６０は、その収束点の位置（後側焦点）Ｑに近い側から順番に遅軸収束レンズＳＡＦおよび速軸収束レンズＦＡＦを含む。これらのレンズは、シリンドリカルレンズである。ここで、Ｚ軸（一点鎖線）は光学系１６０の光軸に一致するとする。速軸収束レンズＦＡＦは、Ｚ軸および速軸方向（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）内で各コリメートビームＢを収束させる。遅軸収束レンズＳＡＦは、Ｚ軸および遅軸方向（Ｘ軸）を含む平面（紙面に垂直なＸＺ面）内で各コリメートビームＢを収束させる。
速軸収束レンズＦＡＦおよび遅軸収束レンズＳＡＦは、それぞれの後側焦点が一致するように配置されている。結合レーザビームの収束位置ＱにおけるＹ軸方向半径ωｙ３は、仮想光源のＹ軸方向半径ωｙ１に倍率（ＥＦＬＦＡＦ／ＥＦＬＦＡＣ）を乗算した値を有する。ここで、ＥＦＬＦＡＣは、速軸コリメータレンズＦＡＣの実効焦点距離であり、ＥＦＬＦＡＦは、速軸収束レンズＦＡＦの実効焦点距離である。
前述したように、本開示の実施形態において、結像レンズ２６の実効焦点距離Ｆ２をコリメータレンズ２４の実効焦点距離Ｆ１よりも長くすると、像面２２に形成される像の横倍率は、Ｆ２／Ｆ１であるため、像面２２におけるエミッタ領域Ｅの像Ｅ’の大きさは、実際のエミッタ領域Ｅの大きさのＦ２／Ｆ１倍に拡大する。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）θｙ１は、Ｆ２／Ｆ１が大きいほど、小さくなる。仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角（遠方界における発散半角）θｙ１が小さくなると、速軸コリメータレンズＦＡＣの開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。図２２Ｂの構成例は、図２２Ａの構成例に比べてθｙ１が相対的に小さい。より実効焦点距離ＥＦＬＦＡＣが長い速軸コリメータレンズＦＡＣを採用すると、速軸コリメータレンズＦＡＣおよび速軸収束レンズＦＡＦによる収束位置Ｑにおける横倍率（ＥＦＬＦＡＦ／ＥＦＬＦＡＣ）が小さくなる。このように、収束位置Ｑにおける横倍率が小さくなると、光ファイバのコアに対する収束ビームスポットの位置ズレ許容度を上げることができる。
なお、一例として、ωｙ１＝２．０μｍ、ＥＦＬＦＡＣ＝０．３ｍｍ、ＥＦＬＦＡＦ＝１０．０ｍｍの場合、ωｙ３＝６６．７μｍである。また、ωｙ１＝４．０μｍ、ＥＦＬＦＡＣ＝０．６ｍｍ、ＥＦＬＦＡＦ＝１０．０ｍｍの場合、ωｙ３＝６６．７μｍである。また、遅軸コリメータレンズＳＡＣの実効焦点距離をＥＦＬＳＡＣ、遅軸収束レンズＳＡＦの実効焦点距離ＥＦＬＳＡＦとするとき、結合レーザビームの収束位置ＱにおけるＸ軸方向半径ωｘ３は、仮想光源のＸ軸方向半径ωｘ１に倍率（ＥＦＬＳＡＦ／ＥＦＬＳＡＣ）を乗算した値を有する。例えばωｘ１＝８０μｍ、ＥＦＬＳＡＣ＝５．０ｍｍ、ＥＦＬＳＡＦ＝４．０ｍｍの場合、ωｘ３＝６４μｍである。
本実施形態によれば、例えば開口数が０．２程度でコア径が１００μｍの多モード光ファイバにレーザビームを集光することができる。ｎ本のレーザビームがインコヒーレントに結合するため、光強度はｎ倍に増大する。なお、図３Ｂの構成では、ＳおよびＲＴＹが増大するため、収束光学系１６０を大型化する必要がある。
図２３Ａ、図２３Ｂ、および図２３Ｃは、それぞれ、５本、９本、および９本×２列のコリメートビームＢが速軸収束レンズＦＡＦに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示している。図２３Ｃの形態は、図２４に示すように、複数の光源ユニット１００を２列に並べることによって得られる。
光源ユニット１００の配列の形態は、前述した例に限定されない。図２５は、更に他の例を示す上面模式図である。複数の光源ユニット１００から出力されるビームが３列に並ぶように構成されてもよい。また、複数の光源ユニット１００および／またはミラーＭは、相互に平行である必要はなく、傾斜していてもよい。
本開示の実施形態によれば、ＬＤ１２がパッケージ内に収められているため、高出力短波長のレーザビームが引き起こし得る光集塵効果に起因するＬＤ１２の光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、複数のコリメートビームＢを高い空間密度で結合することが可能になるため、光出力を効果的に高めることができる。更に、コリメートビームＢの速軸サイズの増加を抑えられるため、光源ユニット１００の空間配置の自由度が高まり、多数のコリメートビームＢを密に並べることが可能になる。その結果、高出力のレーザビームを光ファイバに高い効率で結合することが可能になる。
上記の実施形態において、個々のパッケージ１０には１個のＬＤ１２が収容されているが、各パッケージ１０に複数のＬＤ１２が収容されていてもよい。また、各実施形態において、個々のＬＤ１２は、１個のエミッタ領域Ｅを有しているが、１つのＬＤ１２が複数のエミッタ領域Ｅを有していてもよい。このように、１個のパッケージ１０の内部に複数のエミッタ領域Ｅ（エミッタアレー）が位置していても、本開示の実施形態による効果を得ることができる。すなわち、各パッケージ１０の内部に位置するエミッタアレーの像を第１レンズ系２０の像面２２に転写することにより、自由空間中に仮想光源を形成すれば、パッケージ構造に制約されずに、第２レンズ系３０を設計することが可能になる。
ダイレクトダイオードレーザ装置
次に、図２６を参照して、本開示によるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の実施形態を説明する。図２６は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。
図示されているＤＤＬ装置１０００は、４個のレーザ光源モジュール２００と、加工ヘッド４００と、レーザ光源モジュール２００を加工ヘッド４００に接続する光伝送ファイバ３００とを備える。レーザ光源モジュール２００の個数は、１個または複数個であり、４個に限られない。
各レーザ光源モジュール２００は、前述した構成と同様の構成を有している。各レーザ光源モジュール２００に搭載されているＬＤの個数は特に限定されず、必要な光出力または放射照度に応じて決定される。各ＬＤから放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなど加工する場合、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に属するＬＤが好適に採用され得る。各ＬＤから放射されるレーザ光の波長は同一である必要はなく、中心波長が異なるレーザ光が重畳されてもよい。また、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲外にあるレーザ光を用いる場合にも、本発明による効果を得ることは可能である。
図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール２００のそれぞれから延びる光ファイバ２２０が光ファイバ結合器２３０によって光伝送ファイバ３００に結合されている。加工ヘッド４００は、光伝送ファイバ３００の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物５００に収束して照射する。１台のＤＤＬ装置１０００がＭ個のレーザ光源モジュール２００を備え、個々のレーザ光源モジュール２００がＮ個のＬＤを搭載している場合において、１個のＬＤの光出力がＰワットであれば、最大でＰ×Ｎ×Ｍワットの光出力を持ったレーザビームを対象物５００上に収束させることができる。ここで、Ｎは２以上の整数、Ｍは正の整数である。例えばＰ＝１０ワット、Ｎ＝９、Ｍ＝１２であれば、１キロワットを超える光出力が実現する。
本実施形態によれば、レーザ光源モジュール内のＬＤが半導体レーザパッケージ内に収められているため、光集塵効果などに起因する光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、ビーム径の小さな多数のコリメートビームを限られた空間内に充填できるため、小型の装置で高い光出力を達成でき、光ファイバにも結合しやすい。
ファイバレーザ装置
次に、図２７を参照して、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態を説明する。図２７は、本実施形態におけるファイバレーザ装置２０００の構成例を示す図である。
図示されているファイバレーザ装置２０００は、励起光源として機能するレーザ光源モジュール２００と、レーザ光源モジュール２００から出射された励起光によって励起される希土類添加光ファイバ６００とを備える。図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール２００のそれぞれから延びる光ファイバ２２０が光ファイバ結合器２３０によって希土類添加光ファイバ６００に結合されている。希土類添加光ファイバ６００は、共振器を規定する一対のファイバブラッググレーティングで挟まれている。希土類添加光ファイバ６００にイッテルビウム（Ｙｂ）イオンがドープされている場合、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を生成するレーザ光源モジュール２００が使用される。また、例えばプラセオジム（Ｐｒ）がドープされたフッ化物ガラスから形成された希土類添加光ファイバ６００を使用する場合、青色の励起光による可視光レーザ発振を実現することが可能である。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール２００は、そのような励起光源として有用である。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール２００では、ＬＤが半導体レーザパッケージに収容されているため、前述したように、特に青または緑色のレーザ光を出射するＬＤを採用するときに優れた効果を発揮し得る。
加工ヘッド４００は、希土類添加光ファイバ６００の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物５００に収束して照射する。
このように、本開示のレーザ光源モジュールは、非限定的で例示的な実施形態において、それぞれが前記光源ユニットである複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からそれぞれ出射された複数のコリメートビームを空間的に結合するビームコンバイナとを備える。
ある実施形態において、基準平面から前記複数のコリメートビームの中心までの高さがそれぞれ異なるように前記複数のレーザ光源を支持するサポートを備える。前記ビームコンバイナは、前記複数のコリメートビームをそれぞれ反射する複数のミラーを有するミラーアレイであって、反射された前記複数のコリメートビームを前記基準平面に垂直な面に沿って伝搬させる、ミラーアレイと、前記複数のミラーによって反射された前記複数のコリメートビームを収束する光学系とを含む。
また、本開示のダイレクトダイオードレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームを伝搬させ、前記レーザビームを出射する光ファイバと、前記光ファイバに結合された加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射された前記レーザビームで対象物を照射する加工ヘッドとを備える。
更に、本開示のファイバレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームによって励起される希土類添加光ファイバとを備える。
なお、上記の各実施形態における光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードであるが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードに限られず、ＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）などの表面出射型レーザタイオードであってもよい。表面出射型レーザタイオードを用いる場合、エミッタ領域は、レーザダイオードの半導体基板の主面に平行であり、エミッタ領域から出射されたレーザビームの光軸は、半導体基板の主面に垂直である。表面出射型レーザタイオードを用いる場合、エミッタ領域から出射されるレーザ光は、光軸周りに対称なビーム形状を持ち得る。その場合、第１レンズ系２０から像面を通過したレーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系３０は、速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを有する必要はなく、１個のコリメータレンズによっても実現され得る。
本開示の光源ユニットは、コリメートビームまたは収束ビームの速軸サイズを小さくすることが求められる様々な用途に利用され得る。特に複数のレーザビームを結合して高出力のレーザビームを実現するために用いられ得る。また、本開示のレーザ光源モジュールおよびダイレクトダイオードレーザ装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、３Ｄプリンティングなどに利用され得る。更に、本開示のレーザ光源モジュールは、ＤＤＬ装置以外の用途、例えばファイバレーザ装置の励起光源としても利用され得る。
１０・・・半導体レーザパッケージ、１２・・・ＬＤ、１４・・・窓部材、２０・・・第１レンズ系、２２・・・像面、２４・・・コリメータレンズ、２６・・・結像レンズ、３０・・・第２レンズ系、１００・・・光源ユニット、１２０・・・ビームコンバイナ、１４０・・・サポート、１６０・・・収束光学系、３００・・・光伝送ファイバ、４００・・・加工ヘッド、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置、Ｂ・・・ビーム、Ｍ・・・ミラー、ＦＡＣ・・・速軸コリメータレンズ、ＳＡＣ・・・遅軸コリメータレンズ、ＦＡＦ・・・速軸収束レンズ、ＳＡＦ・・・遅軸収束レンズ

Claims (10)

  1. レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、
    前記レーザ光を透過する窓部材を有し、前記レーザダイオードを封止する半導体レーザパッケージと、
    前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を像面に形成する第１レンズ系であって、コリメータレンズおよび結像レンズを有する第１レンズ系と、
    前記像面を通過した前記レーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第２レンズ系と、
    前記第１レンズ系を収容するレンズケースと
    を備え、
    前記レンズケースは、
    前記半導体レーザパッケージに固定された第１スリーブと、
    前記第１スリーブ内に固定され、前記コリメータレンズを保持する第１レンズ鏡筒と、
    前記第１スリーブおよび前記第１レンズ鏡筒の少なくとも一方に接合された第２スリーブと、
    前記第２スリーブ内に固定され、前記結像レンズを保持する第２レンズ鏡筒と、
    を有する、光源ユニット。
  2. 前記半導体レーザパッケージは、
    前記レーザダイオードを直接または間接的に支持する上面と、下面とを有するベースと、
    前記ベースに固定され、前記レーザダイオードを覆うキャップと、
    を有し、
    前記キャップは、前記窓部材が固定された側壁部を含み、
    前記第１スリーブは、前記側壁部における前記窓部材の周囲の少なくとも一部に接合された中間板を介して前記半導体レーザパッケージに接合され、
    前記中間板は、前記側壁部に接合された第１領域と、前記側壁部に隙間を介して対向する第２領域とを有し、前記第２領域は、前記第１領域よりも前記ベースの前記下面に近い、請求項１に記載の光源ユニット。
  3. 前記中間板は、上端および下端を有しており、
    前記中間板の前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記上端と前記下端との間に位置し、前記第２領域は、前記下端から前記境界までの距離によって規定される高さを有している、請求項２に記載の光源ユニット。
  4. 前記第２領域の高さは、前記中間板の前記上端から前記下端までの距離の２０％以上５０％以下である、請求項３に記載の光源ユニット。
  5. 前記第１スリーブおよび前記第２スリーブは、第１の金属材料から形成されており、
    前記第１レンズ鏡筒および前記第２レンズ鏡筒は、前記第１の金属材料の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する第２の金属材料から形成されている、請求項１に記載の光源ユニット。
  6. 前記第１スリーブおよび前記第２スリーブは、第１の金属材料から形成されており、
    前記第１レンズ鏡筒および前記第２レンズ鏡筒は、前記第１の金属材料の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する第２の金属材料から形成されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  7. 前記第１スリーブは前記中間板に溶接され、かつ、前記第２スリーブは前記第１レンズ鏡筒に溶接されている、請求項６に記載の光源ユニット。
  8. 前記像面から前記第２レンズ系までの距離は、前記レーザダイオードの前記エミッタ領域から前記窓部材の外側表面までの距離よりも短い、請求項１から７のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  9. 前記第２レンズ系は、前記像面の側から順に配置された速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを含み、少なくとも前記速軸コリメータレンズは前記第２スリーブ上に固定されており、
    前記像面から前記第２レンズ系までの前記距離は、前記像面から前記速軸コリメータレンズまでの距離である、請求項８に記載の光源ユニット。
  10. 前記像面から前記第２レンズ系までの前記距離は、１．０ミリメートル以下である、請求項１から９のいずれか１項に記載の光源ユニット。
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