JP2022519643A

JP2022519643A - 発光装置

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Publication number: JP2022519643A
Application number: JP2021545773A
Authority: JP
Inventors: モーザー，ハンスルーディ; ブスト，パスカル; フォーラー，マルティン
Original assignee: Fisba AG
Current assignee: Fisba AG
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2022-03-24
Also published as: CN113366347A; US20220099989A1; EP3921677A1; EP3693767A1; WO2020160806A1; US11860377B2

Abstract

本発明は、発光装置（１）、ビームコリメートレンズ（３）、およびビームコリメートレンズ（３）の製造方法に関する。装置（１）は、少なくとも１つのレーザ光源（２）と、特に高速軸コリメーション用のビームコリメートレンズ（３）とを含み、ビームコリメートレンズ（３）は少なくとも１つの両凸コリメート素子（４）を含み、好ましくはファイバ線引き工程においてシリカガラスから製造される。レーザ光源（２）は、特に４００～５５０ｎｍの波長範囲の可視レーザ光を発する。

Description

本発明は、発光装置、ビームコリメートレンズ、およびビームコリメートレンズの製造方法に関する。

発光装置は高出力ダイオードレーザとして使用することができる。典型的に、このような装置は、いわゆる「高速軸」およびいわゆる「低速軸」を有する非対称の光線場を有する発光体に使用される。

高速軸は、低速軸（半導体ウェハの前面に平行）に垂直な鉛直軸（半導体ウェハに垂直）を指す。低速軸および高速軸は互いに垂直であり、ビーム伝搬方向（ｚ軸）と直交する。伝搬方向に沿って、たとえば約１ミクロンの寸法を有する単一の発光体は、高速軸において０．５～０．７の開口数を有し、低速軸において０．０５～０．２の開口数を有する。

最も一般的な高速軸用コリメータは、平円柱レンズである。これらは、高開口数を有する高速軸について低収差コリメーションを提供するために使用される。

このようなコリメータは典型的に高品質ガラスからなる。高屈折率材料は、レンズの最大サグ、および必要な屈折を達成するのに必要な表面傾斜の程度を最小にする。重要性の低い性能要件については、均一の円柱ロッドレンズ、すなわちファイバも使用可能である。

ＧＢ２５１０４０１Ａは、レーザダイオードスタックと共に使用する微小光学素子を開示しており、この素子は、モノリシックアレイとして形成された複数の両凸高速軸コリメータ素子を含む。これに関して、素子の第１の表面に入射レンズの配置が設けられており、素子の第１の表面とは反対側の第２の表面に出射レンズの配置が設けられている。入射および出射レンズの配置は、一列にまたは２次元アレイに配置された複数の個々の発光体の配置に適合され得る。このモノリシック素子は、レーザ微細加工を用いて溶融石英から製造され得る。

透過率値が高いガラスを有するコリメート素子は、８００～１０００ｎｍの波長範囲のダイオードレーザに主に使用される。

５５０ｎｍ未満の波長範囲、特に４００～５００ｎｍの範囲では、高出力の発光体も利用可能である。この波長範囲については、透過値が高いガラス材料の選択が制限される。

さらに、加工方法が複雑であり、したがって非常に高額である。

本発明の課題は、現行技術の不利点を解消することであり、特に、良好な光学コリメーション品質を低コストで提供することができる、発光装置、ビームコリメートレンズ、およびビームコリメートレンズの製造方法を提供することである。

この課題は、少なくとも１つのレーザ光源と、特に高速軸コリメーション用の少なくとも１つのまたは１つだけのビームコリメートレンズとを含む発光装置によって解決される。

ビームコリメートレンズは少なくとも１つの両凸コリメート素子を含み、石英ガラスからなる。

レーザ光源は、特に５５０ｎｍ以下の波長を有する可視レーザ光、特に３００ｎｍ～５５０ｎｍの、さらには特に４００～５００ｎｍの波長範囲の可視レーザ光を発する。

波長が小さくなれば、工業的に利用可能な出力は大幅に増加し、ビームコリメートレンズにおける最小吸収に対する要件も大幅に増加する。高出力は激しい加熱をもたらす可能性があり、焦点ずれのリスク、したがってビーム品質の劣化のリスクがある。

屈折率ｎが約１．８０である従来の高速軸コリメート素子は、低出力ですでに大きな温度上昇を示す。

屈折率が約１．４５である溶融石英からなるコリメート素子は、最大で２００Ｗを超える出力までの小さな温度上昇を示す。したがって、広い出力範囲にわたってビーム品質を保証することができる。

好ましい実施形態では、装置は複数のレーザ光源を有する。レーザ光源は２次元アレイに配置され得る。好ましくは、レーザ光源は互いに隣接して一列に配置される。

好ましくは、ビームコリメートレンズは、レーザ光源の配置に対応する両凸コリメート素子のアレイを有する。有利なことに、ビームコリメートレンズはモノリシックである。

溶融石英の屈折率が小さいという不利点は、入射面および出射面の該当形状によって補償することができる。両凸コリメート素子は、出射側に非円柱形状を有し、入射側に円柱形状または非円柱形状を有し得る。

「円柱」形状とは、コリメート素子の断面が円形状を有することを意味するのに対して、非円柱形状では、円形部分からのずれ、たとえば多項式の形状がある。

好ましくは、両凸コリメート素子の入射面全体が凸状に湾曲しており、および／または、両凸コリメート素子の出射面全体も凸状に湾曲している。したがって、コリメート素子の表面は、凹状のまたは平坦な部分表面がない単純な形状を有する。これによって製造工程が容易になる。

特に好ましくは、特に発光装置が複数の発光体を含み、これら複数の発光体にビームコリメートレンズが使用される場合にも、ビームコリメートレンズ全体の入射面が凸状に湾曲しており、および／または、ビームコリメートレンズ全体の出射面も凸状に湾曲している。

装置の特に有利な実施形態では、ビームコリメートレンズは棒状である。棒状とは、レンズが円柱状であり、好ましくは、光伝搬方向よりも、光伝搬に対して横方向において、すなわち高速軸方向において、より長いことを意味する。

ビームコリメートレンズは、一列に配置された複数のレーザ光源に使用できるように、両凸円柱として設計することができる。

この両凸円柱には、入射側に円形部分を有する断面が設けられてもよい。
このようなビームコリメートレンズは単純な外形を有しているので、たとえばファイバ線引き工程において安価に製造することができる。

また、棒状のビームコリメートレンズを、たとえばビームコリメートレンズの長辺で互いに接着することによって、容易に組み合わせて、２次元アレイに配置されたレーザ光源のためのビームコリメートレンズアレイを形成することができる。

上記課題は、上述のような発光装置のための、特に高速軸コリメーション用のビームコリメートレンズによって解決される。

ビームコリメートレンズは少なくとも１つの両凸コリメート素子を含み、石英ガラスからなる。両凸コリメート素子の入射面は凸状に湾曲しており、両凸コリメート素子の出射面も凸状に湾曲しているので、石英ガラスの低い屈折率にもかかわらず十分な屈折を達成することができる。

有利な実施形態では、両凸コリメート素子は、０．２ｍｍ^２～１０ｍｍ^２の面積、および／または２ｍｍ～１２ｍｍの長さ、および／または０．１ｍｍ～０．８５ｍｍの高さの入射面を有する。

入射面とは、両凸コリメート素子の光源側の表面を意味する。
有利な実施形態では、両凸コリメート素子は、０．６ｍｍ^２～３０ｍｍ^２の面積、および／または２ｍｍ～１２ｍｍの長さ、および／または０．３ｍｍ～２．５ｍｍの高さの出射面を有する。

出射面とは、両凸コリメート素子の光源から遠い側の表面を意味する。
両凸コリメート素子は、入射側に０．１ｍｍの最大湾曲深さを有し、および／または出射側に０．５ｍｍの最大湾曲深さを有し得る。

両凸コリメート素子は、０．２ｍｍ～１．８ｍｍの焦点距離を有し得る。
高さのデータは光学的に有効な領域に関する。入射は発光体に近いため、光の発散が大きく、入射側の光学的に有効な高さは出射側の光学的に有効な高さよりも小さい。しかしながら、コリメート素子は、入射側と出射側とがほぼ等しい高さを有するように製造することができる。

各場合において、上述の寸法はビームコリメートレンズ全体に適用され得る。
好ましい実施形態では、ビームコリメートレンズはファイバ線引き工程によって製造される。ビームコリメートレンズはその後、全体的に両凸円柱の形状を有することが好ましい。

ビームコリメートレンズの周面、すなわち円柱シェル上の表面は、光沢があり形状が正確である。ビームコリメートレンズは、非光学的な上向きおよび下向きの周面を含む周囲に、艶消し部分表面を有していない。また、周面上にはプレス工具のソーマークも痕跡も目に見えない。

円柱軸に対して横方向の非光学的な側面は、別個のステップによって艶消しされてもよく、たとえばソーマークを有してもよい。

好ましい実施形態では、ビームコリメートレンズは棒状である。
上記課題はさらに、以下のステップを有する上述のようなビームコリメートレンズの製造方法によって解決される。

まず、石英ガラスからなる両凸プリフォームを提供する。その断面積は、製造されるビームコリメートレンズのコリメート素子の断面積よりも大きく、特に１００～１００００倍大きい。

プリフォームは、研削および研磨のような従来のガラス製造工程を用いて製造される。要求されるレンズの形状精度は、従来の大型プリフォームの製造を合理的な努力でスケーリングすることによって実現することができる。

プリフォームを、特に２０００～２２００℃の温度に加熱する。プリフォームを該当炉に入れる。このために、製造されるコリメート素子と一致する形状を有するプリフォームを該当炉に入れる。

加熱後、ビームコリメートレンズを取り出し、それによってスケーリングが行われ、すなわち断面積が小さくなる。これは典型的に、ローラを含む引き抜き装置によって行われる。引き抜き力は所望のスケーリングに調整される。

引き抜きの際、炉から出した後、ビームコリメートレンズはガラス転移温度よりもはるかに低い数百度の温度のままであり、その最終断面を有し得る。

空気中で冷却を行うことができる。
その後、棒状のレンズを所望の長さに切断することができる。

プリフォームから最終部品への大きなスケーリングにより、個々の構成要素をコスト効率よく大量生産することができる。

所望であれば、次に棒状のビームコリメートレンズを互いに接着して２次元コリメート場を形成することができる。

上記課題はさらに、非鉄金属の加工のために上述のような発光装置を使用することによって解決される。

効率的な加工を可能にするために、非鉄金属の加工には短波長が適している。
短波長の高出力ダイオードレーザを、上述のようなビームコリメートレンズを用いて簡単かつコスト効率の高い方法で提供することができる。

以下の図面を参照して本発明を説明する。

本発明に係る装置の断面図である。本発明に係るビームコリメートレンズの斜視図である。ビームコリメートレンズの製造の概略図である。

図１は、発光装置１の断面図を示す。装置１は、一列に配置された数個のレーザ光源２と、高速軸コリメーション用のビームコリメートレンズ３とを含む。

ビームコリメートレンズ３は両凸コリメート素子４を含み、石英ガラスからなる。
レーザ光源１は、５５０ｎｍ未満の波長を有する可視レーザ光、特に３００～５００ｎｍの波長範囲の可視レーザ光を発する。

両凸コリメート素子４は、入射側６に０．１ｍｍの最大湾曲深さ１３を有する。
両凸コリメート素子４は、出射側５に０．５ｍｍの最大湾曲深さ１４を有する。

入射面７は０．１ｍｍ～０．８５ｍｍの高さ１０を有し、出射面８は０．３ｍｍ～２．５ｍｍの高さ１２を有する。

ビームコリメートレンズ３は、入射側と出射側との間の領域１９の大部分が一定の高さ２０を有するように製造されることが好ましい。

出射側５の輪郭は以下の多項式に従い得る。

好ましくは、この形状は１０次多項式に従う。その係数は、たとえば
Ｒ＝－０．３ｍｍ、
ｋ＝－１、
Ａ_４＝－３．２８１２ｍｍ^－３、
Ａ_６＝１６．４１４ｍｍ^－５、
Ａ_８＝－２４１．５６７ｍｍ^－７および
Ａ_１０＝８２２．５９５ｍｍ^－９
である。

図２は、本発明に係るビームコリメートレンズ３の斜視図を示す。ビームコリメートレンズ３は棒状であるので、隣接する両凸コリメート素子４はまとまって共通の入射面７および出射面８を形成する。

入射面７および出射面８は、２ｍｍ～１２ｍｍの長さ１１を有する。
図３は、ビームコリメートレンズ３の製造の概略図を示す。

まず、石英ガラスからなる両凸プリフォーム１５を提供する。
炉１６において、プリフォーム１５を２０００～２２００°Ｃの温度に加熱する。

加熱後、ビームコリメートレンズ３をローラ引き抜き装置１７によって引き抜いて、断面積を小さくする。

炉１６から出した後、断面を測定システム１８によって確認する。
空気中で冷却を行う。

その後、棒状のビームコリメートレンズ３を所望の長さに切断する。

Claims

発光装置であって、少なくとも１つのレーザ光源（２）と、特に高速軸コリメーション用の少なくとも１つのビームコリメートレンズ（３）とを備え、前記ビームコリメートレンズ（３）は少なくとも１つの両凸コリメート素子（４）を備え、石英ガラスからなり、
前記レーザ光源（２）は、特に５５０ｎｍ未満の波長を有する可視レーザ光、さらには特に３００～５００ｎｍの波長範囲の可視レーザ光を発することを特徴とする、発光装置。
前記装置（１）は複数のレーザ光源（２）を備え、前記ビームコリメートレンズ（３）は好ましくは両凸コリメート素子（４）のアレイを備え、
特に前記レーザ光源（２）は並んで配置される、請求項１に記載の装置。
前記両凸コリメート素子（４）は、出射側（５）に非円柱形状を有し、入射側（６）に円柱形状または非円柱形状を有する、請求項１または２に記載の装置。
前記両凸コリメート素子（４）の入射面（７）は凸状に湾曲しており、前記両凸コリメート素子（４）の出射面（８）は凸状に湾曲している、前述の請求項のいずれか１項に記載の装置。
前記ビームコリメートレンズ（３）は棒状である、前述の請求項のいずれか１項に記載の装置。
特に高速軸コリメーション用の、特に請求項１～５のいずれか１項に記載の発光装置のためのビームコリメートレンズであって、前記ビームコリメート素子は少なくとも１つの両凸コリメート素子を備え、石英ガラスからなり、
前記両凸コリメート素子の入射面は凸状に湾曲しており、前記両凸コリメート素子の出射面は凸状に湾曲していることを特徴とする、ビームコリメートレンズ。
前記両凸コリメート素子は、
－０．２ｍｍ^２～１０ｍｍ^２の面積を有する入射面（７）、および／もしくは２ｍｍ～１２ｍｍの長さ（９）を有する入射面（７）、および／もしくは０．１ｍｍ～０．８５ｍｍの高さ（１０）を有する入射面（７）を備え、ならびに／または
－０．６ｍｍ^２～３０ｍｍ^２の面積を有する出射面（８）、および／もしくは２ｍｍ～１２ｍｍの長さ（１１）を有する出射面（８）、および／もしくは０．３ｍｍ～２．５ｍｍの高さ（１２）を有する出射面（８）を備え、ならびに／または
－入射側（６）に０．１ｍｍの最大湾曲深さ（１３）を有し、ならびに／または
－出射側（５）に０．５ｍｍの最大湾曲深さ（１４）を有し、ならびに／または
－０．２ｍｍ～２ｍｍの、好ましくは０．２～１．８ｍｍの焦点距離を有する、請求項６に記載のビームコリメートレンズ。
前記ビームコリメートレンズ（３）はファイバ線引き工程において製造される、請求項６または７に記載のビームコリメートレンズ。
前記ビームコリメートレンズ（３）は棒状である、請求項６から８に記載のビームコリメートレンズ。
請求項６～９に記載の少なくとも１つの両凸コリメート素子（４）を有するビームコリメートレンズ（３）の製造方法であって、
－石英ガラスからなる両凸プリフォーム（１５）を提供するステップを備え、その断面積は、製造される前記ビームコリメートレンズ（３）の前記コリメート素子（４）の断面積よりも大きく、特に１００～１００００倍大きく、前記製造方法はさらに、
－前記プリフォーム（１５）を、特に２０００～２２００℃の温度に加熱するステップと、
－前記ビームコリメートレンズ（３）を引き抜くステップと、
－冷却するステップと、
－特に所望の長さに切断するステップとを備える、製造方法。
非鉄金属の加工のための、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置（１）の使用。