JP2986242B2 - 温度制御装置付き半導体レーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、温度制御及びコリメ
ート光出力を必要とする半導体レーザ光源に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ(LD)は、小形である
ことや、入力エネルギーに対する出力エネルギーの変換
効率が高いことによる低消費電力型であること等から、
各種光学機器に使用されている。

【０００３】ところで、半導体レーザは、自己発熱によ
って劣化したり、動作温度の変化によって発振波長・出
力が変動することから、寿命を延ばし、且つ、発振波長
・出力を安定化させるために、温度制御を行うことが必
要である。

【０００４】また、半導体レーザは、共振器断面積が非
常に小さいため回折の影響によって射出ビーム角が拡が
っており、光学機器等に搭載する場合には、通常、半導
体レーザの直後に設置したコリメータレンズにより、ビ
ームを平行光束に変換してから使用することが一般に行
われている。

【０００５】従って、この半導体レーザの小型化の利点
を生かすために、熱電効果型素子としての小形ペルチェ
効果型素子を使用して温度制御を行い、また、コリメー
タレンズとしても短焦点・高NAの小さなレンズ(例えば、
CD用のピック・アップレンズ等)、或は超小形フレネルレ
ンズ等を使用したりして、光源全体の小型化が進められ
ている。

【０００６】これら半導体レーザ、ペルチェ効果型素
子、コリメータレンズは、図4、図5に示すように、保持
部材を介して基板に保持されている。

【０００７】図4に示す保持方法は、半導体レーザ1をヒ
ートシンク2に、コリメータレンズ3をレンズホルダー4
にそれぞれ取り付け、ペルチェ効果型素子5を介してヒ
ートシンク2を取り付けたレンズホルダー4を基板6に装
着している。また、図5に示す保持方法は、半導体レー
ザ1をヒートシンク2に取り付けると共に、コリメータレ
ンズ3を取り付けたレンズホルダー4をヒートシンク2に
取り付け、ヒートシンク2をペルチェ効果型素子5を介し
て基板6に装着している。

【０００８】図4と図5に示す保持方法の差異は、レンズ
ホルダー4を支えているのが、基板6かヒートシンク2か
の違いだけである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このペ
ルチェ効果型素子5は、熱的に可逆的な膨張・収縮により
変形すると共に、温度制御のために大きな電流を流し続
けると、図6に示すように、厚さdが全体的に増減したり
(等厚変形)或は上面と下面の平行度が変化する(不等厚
変形)ことが分かってきた。しかも、その変形が、経時
的に不可逆な塑性変形であることも判明してきた。この
ようなペルチェ効果型素子5の変形量は微小ではある
が、コリメータレンズ3が短焦点距離化してきた現在に
おいては、コリメート出力光の射出角が敏感に変化して
しまうという問題が生じてきた。

【００１０】例えば、図7に示すように、コリメータレ
ンズ3の焦点距離ｆがｆ＝10mmの場合、半導体レーザ1の
点光源Ｐがｙ＝1μm上下方向に変化する(Ｐ´)と、射出
ビーム角θは0.1mradだけ変化するが、焦点距離ｆがｆ
＝2mmの場合だと、射出ビーム角θの変化は0.5mradにも
なってしまう。

【００１１】このため、図4に示す保持方法の場合、ペ
ルチェ効果型素子5の等厚変形・不等厚変形は、共に半導
体レーザ1の点光源Ｐとコリメータレンズ3の光軸との相
対位置の変動を生じさせるため、射出ビーム角変動とな
って現れてくる。更に、ペルチェ効果型素子5の不等厚
変形は、コリメータレンズ3の焦点方向への相対位置に
も変化を与えるため、コリメート精度にも悪影響を及ぼ
す。

【００１２】また、図5に示す保持方法の場合、レンズ
ホルダー4を支えるのがヒートシンク2であるため、ペル
チェ効果型素子5の変形は、半導体レーザ1の点光源Ｐと
コリメータレンズ3の光軸との相対位置の変動を生じさ
せないが、射出コリメート光束は、ペルチェ効果型素子
5の不等厚変形により、基板6に対してやはり傾いて射出
することになる。加えて、影響は微小であるが、ペルチ
ェ効果型素子5の等厚変形により光軸の高さが変化す
る。更に、この場合、レンズホルダー4がヒートシンク2
に熱的に直接接合するため、ペルチェ効果型素子5が温
度制御すべき対象が大きくなり、熱応答性の早い半導体
レーザ1の動作温度の精密制御に支障をきたすことにな
る。

【００１３】従って、このような従来の保持方法では、
小型化されたペルチェ効果型素子5やコリメータレンズ3
等は非常に使いづらく、また、射出ビームを正確且つ経
時的に安定して長距離に渡って飛ばさなければならない
計測用機器には適用できにくいという問題点があった。
更に、波長安定化等の手段としての精密温度制御が困難
であるという問題点もあった。

【００１４】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、射出ビーム角が
熱的にも経時的にも安定して使い易く、且つ、射出ビー
ムを正確且つ経時的に安定して長距離に渡って飛ばすこ
とができると共に、小形ペルチェ効果型素子による精密
温度制御が容易に行える温度制御装置付き半導体レーザ
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザは、
レーザ光を発光する半導体レーザと、前記半導体レーザ
からの光を集光するコリメータレンズと、前記半導体レ
ーザの動作温度を制御するために、前記半導体レーザに
装着されたペルチェ効果型素子と、前記半導体レーザが
発生させた熱を外気温に応じて放熱させるヒートシンク
と、これらを載置した基板とを有する温度制御装置付き
半導体レーザにおいて、前記コリメータレンズ、及び、
断熱部材を介した前記半導体レーザが装着されると共
に、前記基板に取り付けられる支持部と、前記ペルチェ
効果型素子と前記ヒートシンクとの間を熱的に結合する
変形自在な結合部とを有することを特徴としている。

【００１６】

【作用】この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザ
により、半導体レーザの点光源部分とコリメータレンズ
の相対位置に変化を生じさせないように堅牢に支持する
ことができると共に、基板に対するビーム角の変動も除
去できる。また、ペルチェ効果型素子とヒートシンクと
を結合部を介して結合することにより、ペルチェ効果型
素子の変形に起因する射出ビーム角の変動を除去するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明に係る温度制御装置付き半導
体レーザの実施例を図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図1に示すように、温度制御装置付き半導
体レーザ10は、Can型半導体レーザ(半導体レーザ)11
と、コリメータレンズ12と、ペルチェ効果型素子13とを
有している。

【００１９】半導体レーザ(LD)11は、半導体レーザ11を
取り付けた第1ヒートシンク14と共に半導体レーザホル
ダー(LDホルダー)15を介して、レーザヘッド筺体16に保
持されている。レンズセル12aに取り付けられたコリメ
ータレンズ12は、コリメータレンズホルダー(レンズホ
ルダー)17を介し、半導体レーザ11の射出方向に配置さ
れてレーザヘッド筺体16に保持されている。ペルチェ効
果型素子13は、一端側を、接着剤18を介して第2ヒート
シンク19の中央凹部19aに装着し、他端側を、第1ヒート
シンク14に装着している。第2ヒートシンク19の周辺凸
部19bは、弾性効果を有する断熱材20を介してレーザヘ
ッド筺体16に装着されている。LDホルダー15は、円筒形
の硬性断熱材料例えばセラミックス等により形成されて
おり、ペルチェ効果型素子13と第2ヒートシンク19を結
合する結合部としての接着剤18は、高弾性を有し、且
つ、熱伝導性のよいシリコン系の材料等から形成されて
いる。

【００２０】また、図2に示すように、レンズホルダー1
7は、半導体レーザ11の点光源Ｐ(図7参照)に対して光軸
及びピントを調節した後、動かないように2〜4本のビス
21で固定される。レーザヘッド筺体16も、更に基板22に
ビス23で固定されるが、基板22を通じて第2ヒートシン
ク19や基板22から再びレーザヘッド筺体16に熱が流れ込
まないように、例えば、脚部のみで設置させる等の基板
22との接触面積が極力小さくなる構造(図中A参照)、或
は、脚部と基板22の間に断熱材を介してレーザヘッド筺
体16と基板22を締結する構造を有している(加えて、第2
ヒートシンク19からレーザヘッド筺体16に直接熱が伝わ
らないように、これらの間にも断熱材20が介在してい
る)。なお、例えば熱が流れ込み、レーザヘッド筺体1
6、LDホルダー15及びレンズホルダー17が熱膨張(変形)
した場合でも、光軸ズレが起きないように、レーザヘッ
ド筺体16とレンズホルダー17は、セラミックスと同程度
の熱膨張係数を持つ鋳鉄により形成されている。

【００２１】このため、筺体部分は、点光源Ｐとコリメ
ータレンズ12の焦点位置関係が物理的・経時的に安定な
上、半導体レーザ11の周囲が断熱セラミックス部材によ
り囲まれていることから、ペルチェ効果型素子13による
温度制御すべき対象物を小さな半導体レーザ11だけに限
定することができる。従って、熱応答性が早くなり、長
期的に半導体レーザ11の動作温度の精密制御(例えば、
二段型ペルチェ効果型素子採用の場合、約±5m℃程度)
を行うことができる。

【００２２】また、ペルチェ効果型素子13と第2ヒート
シンク19は、物理的に若干(0.5mm程度)の隙間Sを持た
せ、その隙間Sに接着剤18を充填している(図1参照)こと
から、ペルチェ効果型素子13と第2ヒートシンク19とは
熱的にのみ接合する状態となる。更に、第2ヒートシン
ク19と基板22との間は、第2ヒートシンク19からの熱が
基板22にスムーズに流れて行くように、シリコングリー
ス等を介在させて密着性を高めている。

【００２３】このように、ペルチェ効果型素子13に可逆
的・不可逆(塑性)的な等厚変形・不等厚変形が生じた場
合、この変形による影響は、ペルチェ効果型素子13と各
ヒートシンク14,19との間隙量の変化となって現れる。
そして、この間隙量の変化は、全て接着剤18により吸収
されることから、各ヒートシンク14,19やレーザヘッド
筺体16に何等変形による影響を与えることがなく、熱的
接合度が変化することもない。

【００２４】次に、温度制御装置の他の例を示す。

【００２５】図3に示す温度制御装置付き半導体レーザ3
0は、ペルチェ効果型素子13と接着剤18との間に、第3シ
ートシンク31とペルチェ効果型素子32を直列に付加して
おり、その他は温度制御装置付き半導体レーザ10と同様
の構成を有している。

【００２６】第3ヒートシンク31とペルチェ効果型素子3
2を更に介在させたことで、ペルチェ効果型素子13の発
熱側(即ち、図3における第3ヒートシンク31側)の温度を
も制御することが可能となり、より精密に且つ長期的に
安定化させることができる。

【００２７】このように、複数個のヒートシンク及びペ
ルチェ効果型素子を用いることにより、半導体レーザ11
の発振波長・出力を高精度で安定化させることができ
る。

【００２８】なお、上記各実施例においては、図示しな
いが、第1ヒートシンク14と第3ヒートシンク31にはサー
ミスタ等の温度変化検出器が埋め込まれており、その温
度変化に応じて、ペルチェ効果型素子13,32等の駆動回
路にフィードバックがかかるような電子回路も備えられ
ている。

【００２９】また、上記各実施例において、レーザヘッ
ド筺体16及びレンズホルダー17は、セラミックスと同程
度の熱膨張係数を持つ鋳鉄材により形成したが、成形加
工が容易ならばこれらも全てセラミックスを用いても良
い。また、第2ヒートシンク19側に、高弾性を有し、且
つ、熱伝導性のよい接着剤18を採用したが、これを半導
体レーザ11側の第1ヒートシンク14とペルチェ効果型素
子13の間に用いてもよいし、温度制御装置付き半導体レ
ーザ30にあっては、第3ヒートシンク31の両端面と各ペ
ルチェ効果型素子13,32の間で用いてもよい。なお、接
着剤18を複数的に用いてもよい。

【００３０】更に、接着剤18は、ペルチェ効果型素子1
3,32の変形量を吸収し、且つ、熱伝導性がよく、熱的密
着性が高いものならば、シリコン系に限らない。

【００３１】このように、ペルチェ効果型素子13,32に
可逆的・不可逆(塑性)的な等厚変形・不等厚変形が生じた
場合、その変形による影響は、ペルチェ効果型素子13,3
2と各ヒートシンク14,19,31との間隙量の変化となって
現れる。そして、この間隙量の変化は、全て接着剤18に
より吸収されることから、各ヒートシンク14,19,31やレ
ーザヘッド筺体16に何等変形による影響を与えることが
なく、熱的接合度が変化することもない。故に、小形の
コリメータレンズ12を用いても、点光源Ｐとコリメータ
レンズ12の焦点位置関係が安定することから、その射出
ビーム角が熱的にも経時的にも安定した半導体レーザ光
源となる。加えて、半導体レーザ11の周囲が断熱部材か
らなるLDホルダー15により囲まれているので、小形のペ
ルチェ効果型素子13による精密温度制御が容易な半導体
レーザ光源となる。

【００３２】また、このような特徴を有する半導体レー
ザ光源は、射出ビームを正確に、且つ、経時的に安定し
て長距離に渡って飛ばさなければならない光計測用機器
の光源として威力を発揮する。加えて、熱的変化にも強
いことから、同一基板上に他の熱源となるもの(例え
ば、音響光学効果素子etc.)を搭載する場合には、より
一層有効である。

【００３３】

【発明の効果】この発明に係る温度制御装置付き半導体
レーザは、レーザ光を発光する半導体レーザと、前記半
導体レーザからの光を集光するコリメータレンズと、前
記半導体レーザの動作温度を制御するために、前記半導
体レーザに装着されたペルチェ効果型素子と、前記半導
体レーザが発生させた熱を外気温に応じて放熱させるヒ
ートシンクと、これらを載置した基板とを有する温度制
御装置付き半導体レーザにおいて、前記コリメータレン
ズ、及び、断熱部材を介した前記半導体レーザが装着さ
れると共に、前記基板に取り付けられる支持部と、前記
ペルチェ効果型素子と前記ヒートシンクとの間を熱的に
結合する変形自在な結合部とを有することを特徴として
いる。

【００３４】このため、射出ビーム角が熱的にも経時的
にも安定し、且つ、小形のペルチェ効果型素子による精
密温度制御が容易な半導体レーザ光源となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザ
の構成説明図である。

【図２】温度制御装置付き半導体レーザの装着状態を示
す説明図である。

【図３】温度制御装置付き半導体レーザの他の例の構成
説明図である。

【図４】従来の半導体レーザの装着状態を示す説明図で
ある。

【図５】従来の半導体レーザの装着状態を示す説明図で
ある。

【図６】ペルチェ効果型素子の変形状態を示す説明図で
ある。

【図７】コリメート出力光の変化を示す説明図である。

【符号の説明】

10,30 温度制御装置付き半導体レーザ 11 半導体レーザ 12 コリメータレンズ 12a レンズセル 13,32 ペルチェ効果型素子 14 第1ヒートシンク 15 LDホルダー(硬性断熱部材) 16 レーザヘッド筺体(支持部) 17 コリメータレンズホルダー(レンズホルダー) 18 接着剤(結合部) 19 第2ヒートシンク 19a 中央凹部 19b 周辺凸部 20 断熱材 21 ビス 22 基板 23 ビス 31 第3ヒートシンク P 点光源 S 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀信男 東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社ト プコン内 (72)発明者 阿部知好 東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社ト プコン内 (56)参考文献 特開 昭61−212861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−13451（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−15759（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発光する半導体レーザと、前
   記半導体レーザからの光を集光するコリメータレンズ
   と、前記半導体レーザの動作温度を制御するために、前
   記半導体レーザに装着されたペルチェ効果型素子と、前
   記半導体レーザが発生させた熱を外気温に応じて放熱さ
   せるヒートシンクと、これらを載置した基板とを有する
   温度制御装置付き半導体レーザにおいて、前記コリメー
   タレンズ、及び、断熱部材を介した前記半導体レーザが
   装着されると共に、前記基板に取り付けられる支持部
   と、前記ペルチェ効果型素子と前記ヒートシンクとの間
   を熱的に結合する変形自在な結合部とを有することを特
   徴とする温度制御装置付き半導体レーザ。