JP4017269B2 - Parallel light generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LDアレイから出射されるレーザー光を用いて高出力の平行光を得る平行光発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来技術による平行光発生装置の構成を示すもので、LDアレイ31はその両面から一対の電極板32a、32bの間に挟み込まれて冷却装置39内に配設されている。LDアレイ31から出射されたレーザー光は、fast AXISコリメータレンズ34、slow AXISコリメータレンズ35、集光レンズ36によって集光され、このレーザー光をレーザー媒体37と出力ミラー38との間でレーザー発振させて平行光を発生させている。前記冷却装置39には純水が循環し、LDアレイ31の熱は電極板32a、32bを介して排熱される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成では、レーザー発振させるためにレーザー媒体と出力ミラーとのアライメントを行い、集光光学系とレーザー媒体とのモードマッチングを行う必要があり、製作作業の手間が大きくなる課題があった。また、発振系の配設距離は短くすることができないため、レーザービームの拡がりによるロスが発生し、変換効率は30〜40%が限界であった。更に、LDアレイの熱が伝導する電極板を冷却するために純水を循環させるが、純水の純度が低下すると電極に電気分解が生じて導電性が低下したり、外部のアースノイズの侵入によりLDアレイが破壊される等の問題点があった。
【0004】
本発明が目的とするところは、簡単な構造により高出力の平行光を得ることができるように構成した平行光発生装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願の第1発明に係る平行光発生装置は、複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたLDアレイと、このLDアレイと同一厚さに形成された絶縁体とを、電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記LDアレイのレーザー光の出射端面と前記一対の電極ブロックとを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記LDアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックからLDアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする。
【0006】
上記第1発明の構成によれば、LDアレイからのレーザー光は発振プレートにより平行光に変換されて出射される。簡単な構成で平行光が得られ、調整の必要もないので、その製作は容易である。また、LDアレイ及び発振プレートの熱は密着した電極ブロックから放熱されるので、高出力の平行光を容易に発生させることができる。
【0007】
上記構成において、LDアレイから出射されるレーザー光の光軸上に光軸を一致させて配設され、波長1064nm光を高透過し、波長800〜810nm光を全反射するコートが施され、反射面が発振プレート内でLDアレイに近い位置に焦点を結ぶ曲率に形成されてなる凹面鏡を発振プレートの外面側に配設して構成することにより、発振が容易となると同時に、吸収されなかった光が再利用されるので効率のよい変換がなされる。
【0008】
また、上記目的を達成するための本願の第2発明に係る平行光発生装置は、複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたLDアレイ及びこのLDアレイと同一厚さに形成された絶縁体と、少なくともLDアレイの平面面積より10倍以上の面積を有し、面方向に高熱伝導性を有する中間電極板とを交互に配置して複数段に積層し、この積層体を電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記LDアレイのレーザー光の出射端面及び前記中間電極板、前記一対の電極ブロックを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記LDアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックから各中間電極板を介して各LDアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする。
【0009】
上記第2発明の構成によれば、複数のLDアレイからのレーザー光を発振プレートにより平行光に変換して出射することができるので、高出力の平行光を発生させることができる。また、各LDアレイの熱は中間電極板から電極ブロックに伝導して放熱されるので、高出力の平行光の発生は容易である。
【0010】
発振プレートは、0.5〜3%のNdドープされたYVO4 結晶を0.3〜1.5mm厚さに平行平面カットされたプレートに、LDアレイとの接触面とその反対面に反射コートを施して形成すると好適である。
【0011】
また、発振プレートは、その厚さt(mm)、Ndドープ量n(%)及びレーザーダイオードとの接触面におけるパワー密度P(w/mm2 )の間にP・t・n=104 の条件が満足されるように形成すると好適である。
【0012】
また、上記第1及び第2発明に係る平行光発生装置は、発振プレートの表面との間に、発振プレートの発熱に伴う自然対流が発生する間隔を設けて配設された透明ウィンドウにより密閉される冷却装置内に配設し、この熱交換器内に封入された純水によって冷却し、この純水は熱交換器によって熱交換されるように構成することにより、冷却効果が向上して、より高出力の平行光を発生することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0014】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図(a)は正面図、同図(b)は側面図である。
【0015】
図1において、LDアレイ1は、複数のLD(レーザーダイオード)2をライン上に配設して構成され、同一厚さに形成された絶縁体9とともに一対の電極ブロック10a、10bの間に挟み込まれ、この電極ブロック10a、10b間に電源11から電力供給することにより、LDアレイ1の各LD2が発光する。このLDアレイ1の出射端面は電極ブロック10a、10bと面一に形成されており、このLDアレイ1の出射端面に密着させて発振プレート12が配設されている。この構造により、LDアレイ1の各LD2から発生する熱と、発振プレート12で生じる損失による熱は効率よく電極ブロック10a、10bに逃がすことができる。電極ブロック10a、10bは、ブロック状の熱容量が大きな形状に形成され、これを支持する図示しない支持体に排熱するので、熱の放出は確実になされる。
【0016】
LD2から出射されるレーザー光は、図2(a)(b)に示すように、LDアレイ1の面方向に±5度(slow AXIS光)、厚さ方向に±20度(fast AXIS光)の出射角度を有しており、これを発振プレート12により平行光に変換して出射させる。この発振プレート12の構成条件について以下に説明する。
【0017】
発振プレート12は、0.5〜3%にNdドープされたYVO4 結晶を0.3〜1.5mmの厚さに平行平面カットされたプレートに、LD2との接触面に全反射コートを施し、反対面に1064nmの波長に対して90〜98%の反射コートを施して構成されている。この発振プレート12の構成条件は、下記各パラメータが次のように構成されることにより発振可能となる。
【0018】
LD2の発光密度=P(w/mm2 )、但し、P≧104 w/mm2
発振プレート12の厚さ=t(mm)、但し、0.3≦t≦1.5mm
Ndドープ量=n(%)、但し、0.5≦n≦3
とすると、発振プレート12の構成条件は、出力側コートを1064nmにおいて90〜98%として、下式(1)となる。
【0019】
P・t・n≧104 ……(1)
例えば、P=104 (w/mm2 )、t=0.5(mm)、n=3(%)とすると、P・t・n=104 ・0.5・3=1.5×104 ≧104 となり、発振可能となる。
【0020】
この構成条件は最低条件であって、各パラメータの比を適切に選択することによって理論限界値といわれている60%以上の変換効率を得ることが可能である。尚、Ndドープ量が3%のように高い場合には、発振プレート12の厚さを0.3〜0.5mmに形成することができるが、熱歪みの発生により発振プレート12内で回折が生じて発振が不安定となりやすいので、Ndドープ量は1〜2%、厚さは0.5〜1mm程度に設定するのが好適である。
【0021】
図3は、LD2からの出射光を全反射する凹面鏡22を配設した構成を示すもので、図示するようにLD2からの出射光のセンター軸上に凹面鏡22の光軸を一致させて配置している。この凹面鏡22は、LD2からの出射光を全反射し、1064nmの光を透過するようなコートを施したもので、その反射面の曲率は、発振プレート12内でLD2にできるだけ近いセンター軸上に集光するように形成される。この凹面鏡22を用いた構成により、低い閾値で発振を起こすと同時に吸収されなかったLD2からの光が再利用されるので効率よく平行光に変換することができる。
【0022】
尚、前記凹面鏡22に代えて、LD2からの光を全反射するコートを施した凹型シリンドリカルレンズや、回折格子を用いても同様の効果を得ることができる。
【0023】
図4は、第2の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図(a)は正面図、同図(b)は側面図である。
【0024】
図示するように、第2の実施形態に係る平行光発生装置は、複数のLDアレイ1をスタックして構成されている。LDアレイ1は同一の厚さで10倍以上の面積を有する絶縁体9と共に、中間電極板13を介して複数段に積層され、一対の電極ブロック10a、10bによって挟み込まれている。前記絶縁体9は、AlNのような熱伝導性のよい材料により形成され、前記中間電極板13は、金薄板や銅の金メッキ板、グラファイトシートのような電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料により形成されている。前記グラファイトシートは、その面方向と厚さ方向とでは熱伝導性に10:1以上の差があるため、前記のように絶縁体9の面積がLDアレイ1の面積より10倍以上大きく設定している。また、中間電極板13及び電極ブロック10a、10bのLDアレイ1の出射端面側は、この出射端面と面一に形成され、LDアレイ1、中間電極板13、電極ブロック10a、10bに密着して発振プレート12が配設されているので、発振プレート12で発生する熱も電極10a、10bに伝導し、電極ブロック10a、10bに接する外部放熱体14に排熱される。
【0025】
上記構成において、一対の電極ブロック10a、10b間に接続された電源11から供給される電力は、各中間電極板13を介して各LDアレイ1に供給され、各LDアレイ1の出射端面から出射されるレーザー光は発振プレート12により平行光に変換されて出射される。
【0026】
図5は、第3の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図(a)は正面図、同図(b)は側面図である。
【0027】
図5において、LDアレイ1は同一の厚さを有する絶縁体9と共に一対の電極ブロック15a、15bの間に挟み込まれ、レーザー光の出射端面側に発振プレート12を配置した状態にして冷却装置19内に配設されている。冷却装置19は、その正面側を出射ウィンドウ18により閉じて密閉構造に形成され、内部に満たされた純水を冷却する熱交換器23が配置されて構成されている。前記電極ブロック15a、15bには、それぞれ電極棒16a、16bを通じて電源11が接続される。
【0028】
上記構成において、発振プレート12の表面と出射ウィンドウ18との間は、層流が保持される間隔のチャネル幅が形成されているため、純水が発振プレート12から熱を奪って上昇するとき、シュラーレン現象を発生させることなく自然対流が生じて効率よく発振プレート12は冷却される。また、LDアレイ1の熱は電極ブロック10a、10bに伝導し、電極ブロック10a、10bが純水で冷却されるため、LDアレイ1も効率よく冷却される。純水は熱交換器23によって冷却されるので、装置の放熱効果は高く、より高出力の平行光を発生させることができる。
【0029】
尚、この第3の実施形態は、第1の実施形態で示した平行光発生装置を冷却装置19内に配置して構成した例を示しているが、第2の実施形態に示したLDアレイ1をスタックした構成を適用することもできる。
【0030】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、発振プレートによりLDアレイから出射されるレーザー光を平行光に変換されるので、簡単な構造で高出力の平行光を発生させることができる。また、熱伝導性に優れた構造なので、効率よく高出力の平行光を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す(a)は正面図、(b)は側面図。
【図2】発振プレートによる平行光への変換を説明する(a)は平面図、(b)は側面図。
【図3】第1の実施形態の変形例を示す側面図。
【図4】第2の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す(a)は正面図、(b)は側面図。
【図5】第3の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す(a)は正面図、(b)は側面図。
【図6】従来技術に係る平行光発生装置の構成を示す側面図。
【符号の説明】
1 LDアレイ
2 LD(レーザーダイオード)
9 絶縁体
10a、10b、15a、15b 電極ブロック
12 発振プレート
13 中間電極板
18 出射ウィンドウ
19 冷却装置
22 凹面鏡[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a parallel light generator that obtains high-output parallel light using laser light emitted from an LD array.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a configuration of a conventional parallel light generator. The
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional configuration, it is necessary to align the laser medium and the output mirror in order to oscillate the laser, and to perform mode matching between the condensing optical system and the laser medium. It was. Further, since the arrangement distance of the oscillation system cannot be shortened, a loss due to the spread of the laser beam occurs, and the conversion efficiency is limited to 30 to 40%. Furthermore, pure water is circulated to cool the electrode plate through which the heat of the LD array is conducted. However, if the purity of the pure water is reduced, the electrode is electrolyzed, resulting in a decrease in conductivity or the entry of external ground noise. As a result, the LD array is broken.
[0004]
An object of the present invention is to provide a parallel light generator configured to obtain high-output parallel light with a simple structure.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a parallel light generator according to a first invention of the present application includes an LD array configured by arranging a plurality of laser diodes on a straight line, and an insulation formed to have the same thickness as the LD array. The body is sandwiched between a pair of electrode blocks excellent in electrical conductivity and thermal conductivity, and a flat plate is formed on the surface where the laser beam emitting end face of the LD array and the pair of electrode blocks are formed flush with each other . An oscillation plate made of a laser beam and having both planes as reflection surfaces for the light emitted from the LD array is arranged in close contact, and power is supplied from the pair of electrode blocks to the LD array. It is characterized by.
[0006]
According to the configuration of the first invention, the laser light from the LD array is converted into parallel light by the oscillation plate and emitted. Since parallel light can be obtained with a simple configuration and adjustment is not necessary, its manufacture is easy. In addition, since the heat of the LD array and the oscillation plate is radiated from the closely contacted electrode block, high output parallel light can be easily generated.
[0007]
In the above configuration, the optical axis is aligned with the optical axis of the laser light emitted from the LD array, and a coating that highly transmits light with a wavelength of 1064 nm and totally reflects light with a wavelength of 800 to 810 nm is applied and reflected. Oscillation is facilitated and light that has not been absorbed can be achieved by arranging a concave mirror formed on the outer surface side of the oscillation plate with a curvature that focuses on the position close to the LD array in the oscillation plate. Is reused, so efficient conversion is performed.
[0008]
In addition, the parallel light generator according to the second invention of the present application for achieving the above object is formed with an LD array formed by arranging a plurality of laser diodes in a straight line and the same thickness as the LD array. Insulators and intermediate electrode plates having an area at least 10 times larger than the planar area of the LD array and having high thermal conductivity in the plane direction are alternately arranged and laminated in a plurality of stages, and this laminate is electrically conductive. And sandwiching between a pair of electrode blocks excellent in heat resistance and thermal conductivity, and a flat plate-like surface on which the laser light emitting end face of the LD array, the intermediate electrode plate, and the pair of electrode blocks are formed flush with each other the oscillation plate has a reflecting surface for the light both planes made from the laser medium is emitted from the LD array adhesion arranged, each LD array via each intermediate electrode plate from the pair of electrode block Characterized by comprising configured to power the.
[0009]
According to the configuration of the second invention, the laser light from the plurality of LD arrays can be converted into parallel light by the oscillation plate and emitted, so that high-output parallel light can be generated. In addition, since the heat of each LD array is conducted and dissipated from the intermediate electrode plate to the electrode block, it is easy to generate high-power parallel light.
[0010]
Oscillating plate, the plate which is parallel planes cut YVO 4 crystal is 0.5% to 3% of Nd doped 0.3~1.5mm thickness, reflective coating and contacts the opposite surface thereof with LD array It is preferable to form by applying.
[0011]
The oscillation plate has a thickness t (mm), an Nd doping amount n (%), and a power density P (w / mm 2 ) at the contact surface with the laser diode, P · t · n = 10 4 . It is preferable to form so as to satisfy the conditions.
[0012]
The parallel light generators according to the first and second inventions are hermetically sealed by a transparent window disposed at a distance from the surface of the oscillation plate to generate natural convection due to heat generation of the oscillation plate. The cooling effect is improved by arranging the pure water to be cooled by the pure water enclosed in the heat exchanger and the heat exchange by the heat exchanger. Higher output parallel light can be generated.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
[0014]
1A and 1B show a configuration of a parallel light generator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a front view and FIG. 1B is a side view.
[0015]
In FIG. 1, an
[0016]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the laser light emitted from the
[0017]
The
[0018]
LD2 emission density = P (w / mm 2 ), where P ≧ 10 4 w / mm 2
The thickness of the
Nd doping amount = n (%), where 0.5 ≦ n ≦ 3
Then, the constituent condition of the
[0019]
P · t · n ≧ 10 4 (1)
For example, when P = 10 4 (w / mm 2 ), t = 0.5 (mm), and n = 3 (%), P · t · n = 10 4 · 0.5 · 3 = 1.5 × 10 4 ≧ 10 4 , and oscillation is possible.
[0020]
This configuration condition is the minimum condition, and it is possible to obtain a conversion efficiency of 60% or more, which is called a theoretical limit value, by appropriately selecting the ratio of each parameter. When the Nd doping amount is as high as 3%, the thickness of the
[0021]
FIG. 3 shows a configuration in which the
[0022]
The same effect can be obtained by using a concave cylindrical lens or a diffraction grating provided with a coat that totally reflects the light from the
[0023]
FIGS. 4A and 4B show the configuration of the parallel light generator according to the second embodiment. FIG. 4A is a front view and FIG. 4B is a side view.
[0024]
As shown in the figure, the parallel light generator according to the second embodiment is configured by stacking a plurality of
[0025]
In the above configuration, power supplied from the
[0026]
FIGS. 5A and 5B show the configuration of the parallel light generator according to the third embodiment. FIG. 5A is a front view and FIG. 5B is a side view.
[0027]
In FIG. 5, the
[0028]
In the above configuration, since the channel width of the interval in which the laminar flow is maintained is formed between the surface of the
[0029]
Although the third embodiment shows an example in which the parallel light generator shown in the first embodiment is arranged in the
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the laser beam emitted from the LD array is converted into parallel light by the oscillation plate, high-output parallel light can be generated with a simple structure. In addition, since the structure has excellent thermal conductivity, high-output parallel light can be generated efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a front view and FIG. 1B is a side view showing a configuration of a parallel light generator according to a first embodiment.
2A is a plan view and FIG. 2B is a side view for explaining conversion into parallel light by an oscillation plate.
FIG. 3 is a side view showing a modification of the first embodiment.
4A is a front view and FIG. 4B is a side view showing a configuration of a parallel light generator according to a second embodiment.
5A is a front view and FIG. 5B is a side view showing a configuration of a parallel light generator according to a third embodiment.
FIG. 6 is a side view showing a configuration of a parallel light generating device according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1
9
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