JP4622396B2 - レーザ光源装置 - Google Patents
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Description
例えば、従来の785nm程度の赤外レーザ、650nm程度の赤色レーザでは、単一のレーザ素子で、30mW以上の出力のレーザ発振が得られている。
しかし、窒化ガリウム系の半導体による青色レーザでは、室温での連続発振で出力30mWの窒化ガリウム系の半導体レーザ素子が実用化されているが、それ以上の出力は、まだ単一のレーザ素子で安定して供給できないのが現状である。特に、窒化ガリウム系の半導体レーザは、水銀ランプの代替として用いることができ(例えば、水銀のi線365nm、g線405nm、h線436nmなど)、特に露光用を用途として、さらに高出力化が強く要望されている。
しかし、周知の赤外レーザや赤色レーザと比べて、青色レーザは波長が短いため、レーザ発振する際の励起エネルギーが大きく、レーザ発振による発熱量はかなり大きい。
また、複数個の半導体レーザを用いる場合であっても、装置の大型化は許容されないために、小型の装置内で、効率よく放熱を促進することが必要である。
したがって、レーザ素子を取り囲むこの光結合部材を利用して放熱を向上させるとともに微小集光スポットを得ることが考えられるが、光結合部材においては、レーザ素子から射出される光と光ファイバとの光結合を確実に行うために、部材の加工精度、固定精度など、かなり厳しい組み立てが要求されている。特に、青色レーザ等、波長が短くなると、微小集光スポットを得るためには、単一モード光ファイバのコア径が小さくなるため、より加工精度及び固定精度が厳しくなる。
これに対して、光ファイバの許容軸ずれ量を低減させる構造が提案されている(例えば、特許文献2等)が、未だ十分ではない。
半導体レーザと、
光導波路と、
前記半導体レーザと前記光導波路とを接続し、前記半導体レーザから射出された光を前記光導波路に導入する貫通孔が形成され、その一端に前記半導体レーザが保持されたホルダとを少なくとも備えるレーザ光源装置であって、
前記ホルダは、前記貫通孔に沿った互いに平行な一対の面を有し、前記貫通孔を挟み、前記一対の面に、該ホルダ自体を貫通する締結孔を2以上の偶数個備え、該2つの締結孔は、前記貫通孔に対して対称な位置に形成されてなることを特徴とする。
また、本発明の別のレーザ光源装置は、
半導体レーザと、
光導波路と、
前記半導体レーザと前記光導波路とを接続し、前記半導体レーザから射出された光を前記光導波路に導入する貫通孔が形成され、その一端に前記半導体レーザが保持されたホルダとを少なくとも備えるレーザ光源装置であって、
前記ホルダは、前記貫通孔に沿った互いに平行な一対の面を有し、前記貫通孔を挟み、前記一対の面に、該ホルダ自体を貫通する締結孔を2以上の偶数個備え、該締結孔は、光導波路を接続する側に位置することを特徴とする。
前記ホルダは、貫通孔に沿う面に平行に対向する面をさらに備え、前記締結孔は、該対向する面にまで及ぶことが好ましい。
前記2つの締結孔は、前記貫通孔に対して対称な位置に形成されてなることが好ましい。
前記ホルダは、外形が角柱又は略角柱に成型されてなることが好ましい。
前記ホルダの前記貫通孔は、半導体レーザを接続する側が、光導波路を接続する側より大きいことが好ましい。
前記ホルダの前記締結孔は、光導波路を接続する側に位置することが好ましい。
前記ホルダは、光導波路接続側に、光導波路が同軸で保持されるフェルールを保持するためのフェルールホルダを備えてなることが好ましい。
前記ホルダは、半導体レーザから射出された光を制御するための光学部材を、前記貫通孔内に備えてなることが好ましい。
前記半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体層からなる半導体素子が、ステムとキャップとからなるキャンで気密封止されてなることが好ましい。
前記基体が、放熱手段を有する基体であることが好ましい。
上記レーザ光源装置が、複数個並列配置されてなることが好ましい。
前記複数の半導体レーザは、すべて同一波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザであるか、複数の半導体レーザのうち少なくとも1つは、他の半導体レーザと異なる波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザであることが好ましい。
前記半導体レーザは、前記ホルダが接続される側と反対側にリード端子を有し、基体は回路基板が固定されており、前記リード端子は前記回路基板に電気的に接続されてなることが好ましい。
さらに、上述した貫通孔に沿う面に平行に対向する面を備える場合には、2つの締結孔がこれら面に及ぶことにより、より安定に締結することが可能となるとともに、締結力を所定の方向に集めることができ、ホルダ内部の歪みを最小限に止めることが可能となり、軸合わせの変動をより抑えることができる。
また、ホルダの貫通孔は、半導体レーザを接続する側が、ファイバを接続する側より大きい場合には、半導体レーザを端面に装着し、さらに対向する端面にファイバの端面が接合するように固定した時のホルダをさらに小型にすることができる。
さらに、ホルダの締結孔は、ファイバを接続する側に位置する場合には、よりホルダの小型化を図ることが可能となる。
また、ホルダは、ファイバ接続側に、ファイバが同軸で保持されるフェルールを保持するためのフェルールホルダを備えてなる場合には、ホルダとファイバとを好適に接合することができる。
特に、半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体層からなる半導体素子が、ステムとキャップとからなるキャンで気密封止されてなる場合には、ホルダへの装着が容易であり、生産性に優れる。また窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子が封止されているので、400nm程度の赤色レーザと比べて短波長領域でのレーザ光が出射されるレーザ光源装置が実現できる。
また、レーザ光源装置が、基体、特に放熱手段を有する基体に、ホルダの貫通孔に沿う面が接触するように、締結孔に挿入された締結部材によって装着されて構成される場合には、放熱性を向上させることができ、レーザ光源装置を超寿命化することができる。
さらに、記載のレーザ光源装置が、複数個並列配置されてなる場合には、より高出力のレーザ光源装置が実現可能となる。
さらに、複数の半導体レーザは、すべて同一波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザである場合には、高出力を得ながら、小型化が可能で、実装性および交換性に優れたレーザ光源装置を得ることができる。
また、複数の半導体レーザのうち少なくとも1つは、他の半導体レーザと異なる波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザである場合には、異なる波長帯のレーザ光が出射されるレーザ光源装置が実現可能となる。
ホルダは、半導体レーザと光導波路とを接続し、半導体レーザから射出された光を光導波路に導入する、つまり、光結合を可能にするものであり、少なくとも半導体レーザを保持する。したがって、半導体レーザからの光を光導波路に導入するための貫通孔が形成されており、この貫通孔は、半導体レーザを接続する側においては、半導体レーザの一部を挿入し、固定し得る開口を有している。貫通孔の大きさは、特に限定されるものではなく、用いる半導体レーザの大きさ、レーザから出射される光の波長、光導波路の種類等によって適宜調整することができる。貫通孔は、光が十分伝送されるものである限り、どのような径であってもよい。均一な径であってもよいし、上述したように、半導体レーザを接続する側が、光導波路を接続する側より大きいことが適当である。例えば、貫通孔の径は、1〜20mm程度、好ましくは3〜10mm程度が挙げられる。本発明では、径は直径を意味するが、径で定義したものであっても、円形に限るものではなく、幅、長さを意味する場合もある。
ホルダの締結孔は、光導波路を接続する側に位置することが好ましい。上述したように、通常、半導体レーザが光導波路の外径よりも大きいため、小さな径のファイバ側での方が、ホルダのサイズを大きくしないで、締結孔用のスペースを確保しやすいからである。また、光導波路側の端部で締結された場合に、締結による応力を、光導波路の構造上より吸収しやすいために、より軸合わせの変動を防止することが可能となるからである。
なお、締結孔は、上述した貫通孔に沿う面が1つ形成されている場合には、この1つの面に2つ以上及ぶように形成されていればよく、2つ以上の面が形成されている場合には、それぞれの面に2つずつ(2つ以上ずつ)締結孔が及ぶように形成されてもよい。ただし、1つの面には、上述したように、階段状に形成された面、溝や凹凸が形成された面を含む。
ホルダは、放熱性が良好な材料で形成されていることが好ましい。例えば、樹枝、金属(銅、アルミニウム、真鍮等)等が挙げられる。
本発明に用いる半導体レーザは、好ましくは窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子がステムとキャップとで気密封止されたものが好ましい。なお、キャップは、その表面に板ガラス又はレンズ等を設けてもよい。キャップに板ガラスを設ける場合、ホルダの内部にレンズを設けることでレーザ光は集光される。またキャップにレンズを設ける場合は、ホルダの内部に上述したような光学部材(レンズ等)を設けなくてもよい。気密封止には、従来周知の不活性なガス、もしくは少なくとも酸素を含むガス、または乾燥空気などを用いることができる。特に窒化ガリウム系の半導体素子を用いる場合は、乾燥空気もしくは少なくとも酸素を含むガスを用いることで、劣化が防止され、さらには光レセプタクルと接合されるファイバ端面に安定したレーザ光が入射されるので好ましい。また半導体レーザ内部には、レーザ光が出射される半導体素子だけでなく、たとえばフォトダイオード(受光素子)、さらにはツェナーダイオード(保護素子)などが設けられていてもよい。
まず、この実施例のレーザ光源装置は、図1に示したように、ホルダ1の一方側に、キャン型の半導体レーザ3が圧入により装着されており、他方側に、孔51の開いたスペーサ50を介して、フェルールホルダ40が接続されている。フェルールホルダ40には、先端部にフェルール(図示せず)が装備され、後述する光レセプタクル1の貫通孔400に同軸となるように、シングルモード光ファイバ(図示せず)が保持されている。
ホルダ1は、図2に示したように、外形が略直方体(例えば、約9mm×7mm×11mm)に成型されており、半導体レーザ3を装着する開口部10を有する端面100と、この端面100に対向するシングルモード光ファイバを接合する端面200と、これら2つの端面に延在する底面300とを有する。
ホルダ1は、例えば、図3に示すように、その一面、例えば、底面300が、放熱手段を有する基体2に接触するように、締結孔500に螺子を挿入し、基体2に螺合することにより、固定することができる。この基体2は、銅によって、内部に水が流れるように構成され、水冷手段(図示せず)により放熱性が確保されている。
なお、基体は、例えば、ペルチェ素子、水冷手段、放熱フィン等の種々のものを用いることができる。これにより、放熱性が良くなる。またこれらの放熱手段を有する基体は、光レセプタクルの底面との間に、別の基体を介して設けてもよい。別の基体は、熱伝導性に優れた材料で形成されていることが好ましく、例えば、銅、アルミニウム、真鍮などが挙げられる。なかでも、銅は熱伝導性が最もよく、またアルミニウムは軽量で加工もしやすい。
さらに、ホルダ1自体に締結孔500を設けて、それを利用して、例えば、放熱手段を有する基体2に固定することができるので、ホルダ1の形状(外形)を自由に設計することができ、レーザ光源装置として実装する際に好ましい形状に適宜変更することが可能となる。
なお、スペーサ50、フェルール、フェルールホルダ40等は、SUS、真鍮、アルミニウム、樹脂等を用いることができる。
まず、図2に示すホルダ1の貫通孔400に、半導体レーザを装着する側の開口部100からレンズ30を挿入し、ホルダ1の内部で固定する。その後、ホルダ1に、図5に示す半導体レーザ3を圧入により装着する。この半導体レーザ3は、ステム80とキャップ83とから構成され、ステム80側からリード端子70が突出している。キャップ83の表面には、光を射出できるように、板ガラス81がはめ込まれている。
続いて、ホルダ1を、放熱手段を有する基体2に固定する。ホルダ1は、底面300が基体1に接するように設置し、締結孔500にねじを挿通し、このねじを基体2に螺合することで基体2に固定される。また、ホルダ1は回路基板の基板面に対して垂直に半導体レーザ3のリード端子70がくるようにしてハンダを用いて電気的に接続する。また回路基板と放熱手段を有する基体2とをねじによって固定する。
この実施例のレーザ光源装置は、ホルダ1を実装する方法において、スペーサ50を固定した後、シングルモード光ファイバを調芯固定すること、かつ、ホルダと回路基板と放熱手段を有する基体2とを一つのユニットとして、レーザ光源装置に実装し、レーザ光源装置を得ることができる以外は、実施例1と同様にしてホルダと回路基板と放熱手段を有する基体とが固定されたユニットを作製し、レーザ光源装置を実装した。
この実施例のレーザ光源装置は、ホルダの内部にレンズを設けないで、図6に示すレンズ82付きの半導体レーザ33を圧入し、装着する以外は、実施例1と同様にしてホルダと回路基板と放熱手段を有する基体とが固定されたユニットを作製し、レーザ光源装置に実装した。
実施例1で得られた半導体レーザ3が装着されたホルダ1を4つ準備し、図7及び図8に示すようなレーザ光源装置に実装する。
半導体レーザ3が装着されたホルダ1は、シングルモード光ファイバ60と接合される側と反対側にリード端子70を有しており、このリード端子70が、回路基板5に電気的に接続されている。そして4つのホルダ1が1枚の回路基板5にそれぞれ電気的に接続されている。
ホルダ1は、それぞれが放熱手段を有する基体2に2つの螺子4で固定されている。この基体2は、回路基板5に、螺子6で固定されている。放熱手段を有する基体2は、ペルチェ素子が用いられており、ホルダ1の表面の温度を測定する機能を設け、ホルダ1の表面温度を維持するように機能する。
各ホルダ1には、4本のファイバ60がそれぞれに挿入され固定されている。4本のファイバ60はバンドルされて、レーザ光源装置の表面に露出されており、出射部8からレーザ光が出射される。
なお、4つの半導体レーザ3は全て400nm帯のレーザ光が出射される。
これにより、高出力のレーザ光が出力される装置とすることが可能となる。また、光レセプタクル1が密に固定されているので、レーザ光源装置としても小型化が可能となる。
実施例4において、4つの半導体レーザ3を、窒化ガリウム系の半導体レーザとして、370nm帯、400nm帯、440nm帯、470nm帯のこれらの発振波長の半導体レーザから選んで実装することで、レーザ光源装置から異なる波長のレーザ光が出射される。
この実施例では、図9に示すようなレーザ光源装置を作製する。
実施例1と同様の方法で、ホルダ1に半導体レーザ3を装着し、ホルダ1を、放熱手段を有する基体2と回路基板5とのそれぞれに実装する。
この実施例では回路基板5および放熱手段を有する基体2は、20個の半導体レーザ3が、隣接するホルダ1の側面が対向するように配列されるように、横長の形状とし、20個の半導体レーザ3が実装されたホルダ1と回路基板5と放熱する手段を有する基体2とからなるユニットを作製する。
ホルダ1には、20本のファイバ60がそれぞれに挿入され固定されている。20本のファイバ60はアレイ化されて、レーザ光源装置の表面に露出されており、出射部8からレーザ光が出射される。20個の半導体レーザは全て400nm帯のレーザ光が出射される。45mWの出力をもった半導体レーザをこのように20個実装したレーザ光源装置とすることで、レーザ光源装置からは0.8Wの出力の400nm帯のレーザ光が出射された。ここで、半導体レーザとファイバとのカップリング効率が30パーセント〜50パーセントである。
この実施例では、図10に示すようなレーザ光源装置を作製する。実施例1と同様の方法で、ホルダ1に半導体レーザ3を装着し、ホルダ1を、放熱手段を有する基体2と回路基板5とのそれぞれに実装する。
この実施例では、回路基板5及び放熱手段を有する基体2は、19個の半導体レーザ3が、隣接するホルダ1の側面が対向するように配列されるように、横長の形状とし、19個の半導体レーザ3が実装されたホルダ1と回路基板5と放熱する手段を有する基体2とからなるユニットを2つ作製する。
放熱手段を有する基体2は、水冷パイプ9に固定されており、レーザ光源装置のレーザ光出射部と反対側から水を注入し、同様の側から水を注出する機構が設けられている。
また、ホルダ1が接続された回路基板5は、レーザ素子を駆動するための回路基板としても機能する。
30mWの出力をもった半導体レーザをこのように19個ずつ実装したレーザ光源装置とすることで、レーザ光源装置からは0.5Wの出力の370nm帯のレーザ光が2点から出射されるレーザ光源装置となる。ここでカップリング効率は30〜50パーセントである。
このように2点から出射される光源装置を用いることで、例えば、露光装置として用いるとき、横長で露光される。このレーザ光源装置を最も面積の大きい方向にもう1つ設置することで、実質4点から出射される光源装置となり、一度にレーザ光を出射されることで、レーザ出射部が一点の装置を用いて露光したときの4倍の面積を露光することが可能となる。このように、本発明のレーザ光源装置を適宜積層させて用いることも可能である。
2 基体
3、33 レーザ素子
4、6 螺子
5、7 回路基板
8 出射部
9 水冷パイプ
10、20 開口部
11 電源入力部
30 レンズ(光学部材)
31 ホルダ
40 フェルールホルダ
41 固定手段
50 スペーサ
51 孔
60 ファイバ
70 リード端子
80 ステム
81 板ガラス
82 レンズ
83 キャップ
100、200 端面
300 底面
400 貫通孔
500 締結孔
Claims (16)
- 半導体レーザと、
光導波路と、
前記半導体レーザと前記光導波路とを接続し、前記半導体レーザから射出された光を前記光導波路に導入する貫通孔が形成され、その一端に前記半導体レーザが保持されたホルダとを少なくとも備えるレーザ光源装置であって、
前記ホルダは、前記貫通孔に沿った互いに平行な一対の面を有し、前記貫通孔を挟み、前記一対の面に、該ホルダ自体を貫通する締結孔を2以上の偶数個備え、該2つの締結孔は、前記貫通孔に対して対称な位置に形成されてなることを特徴とするレーザ光源装置。 - 半導体レーザと、
光導波路と、
前記半導体レーザと前記光導波路とを接続し、前記半導体レーザから射出された光を前記光導波路に導入する貫通孔が形成され、その一端に前記半導体レーザが保持されたホルダとを少なくとも備えるレーザ光源装置であって、
前記ホルダは、前記貫通孔に沿った互いに平行な一対の面を有し、前記貫通孔を挟み、前記一対の面に、該ホルダ自体を貫通する締結孔を2以上の偶数個備え、該締結孔は、光導波路を接続する側に位置することを特徴とするレーザ光源装置。 - 前記ホルダは、貫通孔に沿う面に平行に対向する面をさらに備え、前記締結孔は、該対向する面にまで及ぶ請求項1又は2に記載のレーザ光源装置。
- 前記2つの締結孔は、前記貫通孔に対して対称な位置に形成されてなる請求項2又は3に記載のレーザ光源装置。
- 前記ホルダは、外形が角柱又は略角柱に成型されてなる請求項1〜4のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
- 前記ホルダの前記貫通孔は、半導体レーザを接続する側が、光導波路を接続する側より大きい請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ光源装置。
- 前記ホルダの前記締結孔は、光導波路を接続する側に位置する請求項1及び3〜6のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
- 前記ホルダは、光導波路接続側に、光導波路が同軸で保持されるフェルールを保持するためのフェルールホルダを備えてなる請求項1〜7のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
- 前記ホルダは、半導体レーザから射出された光を制御するための光学部材を、前記貫通孔内に備えてなる請求項1〜8のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
- 前記半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体層からなる半導体素子が、ステムとキャップとからなるキャンで気密封止されてなる請求項1〜9のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のレーザ光源装置が、基体に、前記ホルダの前記貫通孔に沿う面が接触するように、締結孔に挿入された締結部材によって装着されて構成されるレーザ光源装置。
- 前記基体が、放熱手段を有する基体である請求項11に記載のレーザ光源装置。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のレーザ光源装置が、複数個並列配置されてなる請求項11又は12に記載のレーザ光源装置。
- 前記複数の半導体レーザは、すべて同一波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザである請求項13に記載のレーザ光源装置。
- 前記複数の半導体レーザのうち少なくとも1つは、他の半導体レーザと異なる波長帯のレーザ光が出射される半導体レーザである請求項13に記載のレーザ光源装置。
- 前記半導体レーザは、前記ホルダが接続される側と反対側にリード端子を有し、基体は回路基板が固定されており、前記リード端子は前記回路基板に電気的に接続されてなる請求項11〜15のいずれか1つに記載のレーザ光源装置。
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