JP5247795B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

この発明は、レーザ素子から発振された基本波レーザ光を波長変換素子で所定波長のレーザ光に変換して出力する光モジュールに関するものである。
波長530nm帯の緑色のレーザ光を発振する光モジュールを得るにあたっては、多くの場合、1060nm帯の赤外レーザ光を基本波レーザ光として用い、該基本波レーザ光を波長変換素子で波長変換している。このため、緑色のレーザ光を発振する光モジュールは、一般に、基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子、該固体レーザ素子を励起する励起光源、および波長変換素子を用いて構成される。
上記の光モジュールでは、固体レーザ素子を構成するレーザ共振器での光損失が多くなると当該光モジュールの発熱量が多くなり、性能が低下する。このため、当該光モジュールの高出力化を図るうえからはレーザ共振器内での光損失を低減させることが必須であり、そのためには固体レーザ素子の光軸と波長変換素子の光軸とのアライメント精度を高めることが必要となる。
上記のタイプの光モジュールではないが、例えば特許文献1に記載された半導体レーザ光源一体型光導波路装置では、光導波路が形成された光導波路素子の表面から上記光導波路の光入射端の中心軸までの距離と半導体レーザの表面から発光端の中心軸までの距離とを一致させることで、光導波路素子の軸心と半導体レーザの軸心とを正確に位置設定できるようにしている。この光導波路装置では、接着剤やはんだ等の接合材により光導波路素子と半導体レーザとが共通の基板上に並置して固定される。
また、特許文献2に記載された電気光学システムでは、第1のサブマウントと第2のサブマウントとを互いに分離して設け、第1のサブマウントに二次ヒートシンクを装着すると共に該二次ヒートシンクから第1のサブマウント上に張り出すようにして能動的利得媒体(レーザ・クリスタル等)を設け、能動的利得媒体用のポンプ源(レーザダイオード)を第2のサブマウントでの第1のサブマウント側の側壁部に装着している。このように能動利得媒体およびポンプ源を配置することで、これら能動的利得媒体とポンプ源との間隔を正確なものとしている。当該特許文献2に具体的に記載された形態では、第2のサブマウントの上面側に形成された凹部に能動的利得媒体の一端が係合している。
特開平05−289132号公報 特開2001−085767号公報
例えば、固体レーザ素子と波長変換素子とをこれらの光軸のアライメント精度がμmオーダーないしサブμmオーダーとなるように組み合わせてレーザ共振器を構成すれば、当該レーザ共振器内での光損失が大幅に低減されるので、出力強度の高い光モジュールを得ることができる。
しかしながら、例えば特許文献1に記載された光導波路装置での光導波路素子と半導体レーザとの固定方法のように、共通の基板上に固体レーザ素子と波長変換素子とを接合材で固定すると、サブμmオーダーの部材加工精度を得ることや、接合材の厚みを正確に管理し難いことから、固体レーザ素子の光軸と波長変換素子の光軸とのアライメント精度をμmオーダーないしサブμmオーダーにまで高めることが困難になる。
また、特許文献2に具体的に記載された電気光学システムでの能動的利得媒体とポンプ源との配置形態に準じて固体レーザ素子と波長変換素子とを配置すると、第2サブマウントの上面側に形成された凹部によって固体レーザ素子と波長変換素子との相対位置が規制されてしまうため、当該相対位置の微調整をし難い。そのため、固体レーザ素子の光軸と波長変換素子の光軸とのアライメント精度をμmオーダーないしサブμmオーダーにまで高めることが困難である。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、固体レーザ素子の光軸と波長変換素子の光軸とのアライメント精度を高め易い光モジュールを得ることを目的とする。
上記の目的を達成するこの発明のレーザモジュールは、基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子と、固体レーザ素子を励起する励起光源と、固体レーザ素子が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とが搭載されたマウントと、マウントを支持する基板とを備え、マウントは、固体レーザ素子のレーザ媒質が搭載された第1ブロックと、励起光源が搭載された第2ブロックと、波長変換素子が搭載された第3ブロックとから構成され、マウントのうち第2ブロックのみが基板に固定され、第1ブロックは、レーザ媒質の光軸に垂直な2つの側面を有し、第2ブロックは、励起光源の光軸に垂直な2つの側面を有し、第3ブロックは、波長変換素子の光軸に垂直な2つの側面を有し、基板には、第2ブロックの一方の側面が固定され、第2ブロックの他の一方の側面には、第1ブロックの一方の側面が固定され、第1ブロックのうち第2ブロックに固定されている以外の側面には、第3ブロックの一方の側面が固定されていることを特徴とするものである。
この発明の光モジュールでは、固体レーザ素子のレーザ媒質が搭載された第1ブロック、励起光源が搭載された第2ブロック、および波長変換素子が搭載された第3ブロックのうちの第2ブロックのみが基板に固定されるので、第2ブロックに対する第1ブロックおよび第3ブロックの相対位置を調整し易い。このため、少なくともレーザ媒質および波長変換素子については、これらの光軸のアライメント精度がμmオーダーないしサブμmオーダーとなるようにアクティブアライメントにより位置合わせすることも容易である。レーザ媒質と波長変換素子とを用いて固体レーザ素子用のレーザ共振器を構成したときでも、該レーザ共振器内での光損失を容易に抑えることができる。
したがって、この発明によれば、固体レーザ素子の光軸と波長変換素子の光軸とのアライメント精度を高め易い光モジュールを得ることができ、所望波長のレーザ光を発振する高出力の光モジュールを得ることが容易になる。
図1は、この発明の光モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。 図2は、図1に示した光モジュールを概略的に示す側面図である。 図3は、この発明の光モジュールのうちでマルチエミッタ化されたものの一例を概略的に示す斜視図である。 図4は、この発明の光モジュールのうちでレーザ媒質の励起光源としてライトガイドを備えたものの一例を概略的に示す斜視図である。
符号の説明
1,1A 第1ブロック
7,7A レーザ媒質
10,10A 第2ブロック
15,15A 半導体レーザ素子15
20,20A 第3ブロック
27,27A 波長変換素子
30A,30B マウント
40 基板
50,50A 光モジュール
110 第2ブロック
113 ライトガイド
150 光モジュール
LR レーザ共振器
SL 固体レーザ素子
SLA 固体レーザアレイ
以下、この発明の光モジュールの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、この発明の光モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。同図に示す光モジュール50は、第1ブロック1、第2ブロック10、および第3ブロック20の計3つのブロックに分割されたマウント30Aと、基板40とを備えている。
上記の第1ブロック1の上面1aには薄板状の応力緩衝部材3が接合材(図示せず)により固定され、応力緩衝部材3上にはヒートシンク5が接合材(図示せず)により固定され、ヒートシンク5上にはレーザ媒質7が接合材(図示せず)により固定されて搭載されている。第1ブロック1は、レーザ媒質7の光軸と直交する2つの側面を有する平板状の部材であり、例えば金属材料や合金材料により作製される。応力緩衝部材3は、第1ブロック1とヒートシンク5との線膨張係数差に起因して生じる熱応力を緩和する。
第1ブロック1でのヒートシンク5は、光モジュール50の動作時にレーザ媒質7に所定パターンの熱分布を形成し、この熱分布によりレンズ効果を発現させてレーザ媒質7内での光拡散を抑制する。そのために、当該ヒートシンク5でのレーザ媒質7側には、複数の接合面を有する櫛型の接合部が形成されている。レーザ媒質7は固体レーザ素子に用いられる導波路型のレーザ媒質であり、基本波レーザ光を発振する1つの光導波路を有している。光モジュール50が緑色のレーザ光を発振するものである場合には、例えばNd:YVO3(ネオジウムドープバナジン酸イットリウム)等のレーザ媒質により上記の光導波路が形成される。このレーザ媒質7は、後述するレーザ共振器LRと共に固体レーザ素子SLを構成する。
第2ブロック10の上面10aにはサブマウント13が接合材(図示せず)により固定され、サブマウント13上には半導体レーザ素子15が接合材(図示せず)により固定されて搭載されている。半導体レーザ素子15は、自己発熱で高温度になるとその発光効率が急減し、寿命も短くなるという性質があるため、第2ブロック10は、熱伝導率の高い例えば銅や銅タングステン等の銅系材料により作製されてヒートシンクとして機能する。この第2ブロック10は平板状の部材であり、半導体レーザ素子15の光軸と直交する2つの側面を有している。
サブマウント13は、電気絶縁材料により作製され、第2ブロック10と半導体レーザ素子13との線膨張係数差に起因してこれら第2ブロック10と半導体レーザ素子15との間に生じる熱応力を緩和する。半導体レーザ素子15は、図示を省略した外部回路に接続されて、上記固体レーザ素子SLの励起光を出射する励起光源として機能する。例えば、レーザ媒質7での光導波路がNd:YVO3により形成されている場合には、波長800nm帯の近赤外レーザ光を発振するレーザ素子が当該半導体レーザ素子15として用いられる。
第3ブロック20の上面20aには温度制御器23が接合材(図示せず)により固定され、温度制御器23上には均熱板25が接合材(図示せず)により固定され、均熱板25上には波長変換素子27が接合材(図示せず)により固定されて搭載されている。第3ブロック20は、波長変換素子27の光軸と直交する2つの側面を有する平板状の部材であり、銅系材料や該銅系材料よりも熱抵抗が大きい金属材料ないし合金材料、例えばステンレス鋼により作製される。第3ブロック20を銅系材料よりも熱抵抗が大きい金属材料ないし合金材料により作製した場合には、温度制御器23による波長変換素子27の温度制御が容易になる。
温度制御器23は、例えば発熱体を用いて構成されて、波長変換素子27の温度を所定の温度に制御する。この温度制御器23は、図示を省略した外部回路に接続されている。均熱板25は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性が良好な金属材料ないし合金材料により作製されて、温度制御器23により波長変換素子27が均一に温度制御されるように、当該均熱板25と波長変換素子27との接合面内の温度分布を均一化する。波長変換素子27は、例えばニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の非線形光学材料により形成された光導波路を有する導波路型のものであり、その波長変換効率には温度依存性がある。このため、温度制御器23により所定の温度に保持される。
基板40は、上述した第1〜第3ブロック1,10,20を支持する部材であり、必要に応じてステムとしての機能が付与される。図示の光モジュール50では、基板40の主面40a上に第2ブロック10のみが接合材(図示せず)により固定されている。
図2は、図1に示した光モジュールを概略的に示す側面図である。同図に示すように、光モジュール50では、第2ブロック10の側面のうちで半導体レーザ素子15の光軸と直交する2つの側面の一方が接合材(図示せず)により基板40の主面40aに接合され、他方の側面に第1ブロック1の側面のうちでレーザ媒質7の光軸と直交する2つの側面の一方が接合材(図示せず)により接合されている。また、第1ブロック1の側面のうちでレーザ媒質7の光軸と直交する2つの側面の他方には、第3ブロック20の側面のうちで波長変換素子27の光軸と直交する2つの側面の一方が接合材(図示せず)固定されている。なお、レーザ媒質7の光軸とは、当該レーザ媒質7に形成されている光導波路の光軸を意味し、波長変換素子27の光軸とは、当該波長変換素子27に形成されている光導波路の光軸を意味する。
各ブロック1,10,20は、半導体レーザ素子15から出射した励起光がレーザ媒質7の光導波路(図示せず)に入射し、かつ固体レーザ素子SLで発振された基本波レーザ光が波長変換素子27の光導波路(図示せず)に入射するように、各々のブロック1,10,20の上面1a,10a,20aを同じ方向に向けて配置されている。半導体レーザ素子15の光出射端はレーザ媒質7側にあり、レーザ媒質7の光出射端は波長変換素子27側にある。
レーザ媒質7での光導波路の光入射端および波長変換素子27での光導波路の光入射端の各々には共振器ミラーとして機能する光学薄膜が設けられており、これらの光学薄膜によりレーザ共振器LRが形成される。このレーザ共振器LRとレーザ媒質7での光導波路とにより固体レーザ素子SLが構成される。
このように構成された光モジュール50では、半導体レーザ素子15で発振された励起光ELがレーザ媒質7の光導波路に入射して、当該光導波路から基本波レーザ光FLが発振される。この基本波レーザ光FLは、レーザ共振器LR内で反射を繰り返して増幅され、その一部が波長変換素子27の光導波路に入射して波長変換され、第2高調波SHとなって波長変換素子27から出射する。レーザ媒質7で発振される基本波レーザ光が1060nm帯の赤外レーザ光であるときには、その第2高調波SHである波長530nm帯の緑色レーザ光を得ることができる。
レーザ媒質7、半導体レーザ素子15、および波長変換素子27それぞれの光軸の方向をZ軸とし、各ブロック1,10,20の高さ方向をY軸としてXYZ座標系(図1参照)を想定すると、第2ブロック10のみが基板40に固定されるので、光モジュール50を組み立てる際には、第1ブロック1および第3ブロック20の各々を第2ブロック10の外側でX軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向のいずれの方向にも自由に変位させることができる。第2ブロック10に対する第1ブロック1の相対位置、および第1ブロック1に対する第3ブロックの相対位置を自由に調整することができる。
このとき、第1ブロック1での第2ブロック10側の側面がレーザ媒質7の光軸と平行で、第2ブロック10での第1ブロック1側の側面が半導体レーザ素子15の光軸と平行であることから、X−Y平面内での第1ブロック1の傾きを抑制することが容易である。同様に、第1ブロック1での第3ブロック20側の側面がレーザ媒質7の光軸と平行で、第3ブロック20での第1ブロック1側の側面が波長変換素子27の光軸と平行であることから、X−Y平面内での第3ブロック20の傾きを抑制することが容易である。
したがって、レーザ媒質7の光軸と直交するように当該レーザ媒質7の光入射端および光出射端を予め成形し、半導体レーザ素子15の光軸と直交するように当該半導体レーザ素子15の光出射端を予め成形し、波長変換素子27の光軸と直交するように当該波長変換素子27の光入射端を予め成形しておくことにより、半導体レーザ素子15とレーザ媒質7とのアクティブアライメント、およびレーザ媒質7と波長変換素子とのアクティブアライメントを正確に行うことが容易になる。
例えばレーザ媒質7の光軸と波長変換素子27の光軸とのアライメント精度をμmオーダーないしサブμmオーダーにまで高めることも容易である。当該アライメント精度がμmオーダーないしサブμmオーダーにまで高まれば、レーザ共振器RL(図2参照)内での光損失が大幅に低減されるので、光モジュール50の出力強度が増大する。所望波長のレーザ光、例えば緑色のレーザ光を発振する高出力の光モジュールを得ることが容易になる。
また、半導体レーザ素子15の光軸とレーザ媒質7の光軸とのアライメント精度を高めることも容易である。使用する半導体レーザ素子15の発振位置が当該半導体レーザ素子15の製造ばらつきによりばらついていても、第2ブロック10に対する第1ブロック1の相対位置を適宜調整することにより、半導体レーザ素子15の発振位置に応じて当該半導体レーザ素子15とレーザ媒質7とをアライメントすることができる。したがって、光モジュール50では、半導体レーザ素子15の光軸、レーザ媒質7の光軸、および波長変換素子27の光軸を1つの光軸OA(図2参照)上に位置させることが容易である。また、当該光モジュール50の小型化も容易である。
実施の形態2.
この発明の光モジュールは、マルチエミッタ化することもできる。マルチエミッタ化する場合には、例えば、複数個の光導波路を有するレーザ媒質が上面に搭載された第1ブロック、複数個の励起光源が上面に搭載された第2ブロック、および複数個の波長変換素子または複数個の光導波路が形成された1個の波長変換素子が上面に搭載された第3ブロックのうちの第2ブロックが基板に固定され、当該ブロックに残り2つのブロックが所定の配置で固定される。
図3は、マルチエミッタ化された光モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。同図に示す光モジュール50Aは、図1に示した第1ブロック1、第2ブロック10、第3ブロック20に代えて第1ブロック1A、第2ブロック10A、第3ブロック20Aを備えている以外は、図1に示した光モジュール50と同様の構成を有している。
第1ブロック1Aは、図1に示したレーザ媒質7に代えて複数個の光導波路を有する導波路型の固体レーザ媒質7Aを備えている点を除き、図1に示した第1ブロック1と同様の構成を有している。第2ブロック10Aは、図1に示した半導体レーザ素子15に代えて複数個のレーザ発振器を有する半導体レーザ素子15Aを備えている点を除き、図1に示した第2ブロック10と同様の構成を有している。そして、第3ブロック20Aは、図1に示した波長変換素子27に代えて複数個の光導波路を有する導波路型の波長変換素子27Aを備えている点を除き、図1に示した第3ブロック20と同様の構成を有している。図3に示した構成部材のうちで図1に示した構成部材と共通するものについては、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
半導体レーザ素子15A中の個々のレーザ発振器は、レーザ媒質7A用の励起光を発振する。半導体レーザ素子15A中の個々のレーザ発振器から出射した励起光は、レーザ媒質7A中の別々の光導波路に入射し、レーザ媒質7A中の個々の光導波路から出射した各基本波レーザ光は、レーザ共振器(図示せず)で増幅されて波長変換素子27A中の別々の光導波路に入射する。すなわち、光モジュール50Aは、図1に示した固体レーザSLに代えて固体レーザアレイSLAを有し、所定波長のレーザ光を複数本出射する。
このように構成された光モジュール50Aにおいても、レーザ媒質7Aでの各光導波路、半導体レーザ素子15Aでの各レーザ発振器、および波長変換素子27Aでの各光導波路を予め定められた精度の下に形成しておくことにより、図1に示した光モジュール50におけるのと同様の理由から、当該光モジュール50と同様の技術的効果を得ることができる。所望波長のレーザ光、例えば緑色のレーザ光を発振する高出力の光モジュールを得ることが容易になる。また、光モジュール50Aの小型化も容易である。
実施の形態3.
この発明の光モジュールにおいては、レーザ媒質の励起光源として、外部の光源から励起光を受光してレーザ媒質側に出射するライトガイドを用いることもできる。
図4は、レーザ媒質の励起光源としてライトガイドを備えた光モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。同図に示す光モジュール150は、図1に示した第2ブロック10に代えて第2ブロック110を有するマウント30Bを備えている点、および第2ブロック110の底面が基板40に固定されている点をそれぞれ除き、図1に示した光モジュール50と同様の構成を有している。図4に示した構成部材のうちで図1に示した構成部材と共通するものについては、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
上記の第2ブロック110の上面111aにはライトガイド113が接合材(図示せず)により固定されている。第2ブロック110は、ライトガイド113から出射する励起光の光軸と直交する2つの側面を有する平板状の部材であり、例えば金属材料や合金材料等により作製される。ライトガイド113は、図示を省略した外部の光源からレーザ媒質7用の励起光を受光して、該励起光をレーザ媒質7側に出射する。
この第2ブロック110は、その底面が接合材(図示せず)により基板40の主面40aに接合されて、当該基板40に固定されている。第2ブロック110の側面のうちでライトガイド113から出射する励起光の光軸と直交する2つの側面の一方に、第1ブロック1の側面のうちでレーザ媒質7の光軸と直交する2つの側面の一方が接合材(図示せず)により接合されている。また、第1ブロック1の側面のうちでレーザ媒質7の光軸と直交する2つの側面の他方には、第3ブロック20の側面のうちで波長変換素子27の光軸と直交する2つの側面の一方が接合材(図示せず)により固定されている。
このように構成された光モジュール150においても、図1に示した光モジュール50におけるのと同様の理由から、当該光モジュール50と同様の技術的効果を得ることができる。所望波長のレーザ光、例えば緑色のレーザ光を発振する高出力の光モジュールを得ることが容易になる。また、光モジュール150の小型化も容易である。
以上、この発明の光モジュールについて実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、この発明は上述の形態に限定されるものではない。例えば、第1ブロックにおける第2ブロック側の側面、および第2ブロックにおける第1ブロック側の側面は、第1ブロックの上面と第2ブロックの上面とを同一平面上に位置させるか、または互いに平行にすることが容易であれば、レーザ媒質の光軸または励起光の光軸と直交せずに所定の角度で傾斜していてもよい。
同様に、第1ブロックにおける第3ブロック側の側面、および第3ブロックにおける第1ブロック側の側面は、第1ブロックの上面と第3ブロックの上面とを同一平面上に位置させるか、または互いに平行にすることが容易であれば、レーザ媒質の光軸または波長変換素子の光軸と直交せずに所定の角度で傾斜していてもよい。
緑色レーザ光を発振する小型で高出力の光モジュールを得るうえからは、波長変換素子として導波路型のものを用いることが好ましいが、光モジュールに求められる性能によっては、導波路型以外の波長変換素子を用いることも可能である。レーザ媒質についても同様である。また、レーザ共振器の構造も適宜変更可能である。そして、第1〜第3ブロックのうちのどのブロックを基板に固定するかについても、適宜選定可能である。この発明の光モジュールについては、上述したもの以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。
この発明の光モジュールは、レーザテレビやプロジェクタ等の映像表示装置あるいはレーザプリンタ等の印刷装置等の光源を構成する光モジュールとして、さらに産業用・業務用に多く用いられるレーザ発振器の代替品として用いることができる。

Claims (7)

  1. 基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子と、該固体レーザ素子を励起する励起光源と、前記固体レーザ素子が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とが搭載されたマウントと、該マウントを支持する基板とを備え、
    前記マウントは、前記固体レーザ素子のレーザ媒質が搭載された第1ブロックと、前記励起光源が搭載された第2ブロックと、前記波長変換素子が搭載された第3ブロックとから構成され、前記マウントのうち前記第2ブロックのみが前記基板に固定され
    前記第1ブロックは、前記レーザ媒質の光軸に垂直な2つの側面を有し、前記第2ブロックは、前記励起光源の光軸に垂直な2つの側面を有し、前記第3ブロックは、前記波長変換素子の光軸に垂直な2つの側面を有し、
    前記基板には、前記第2ブロックの一方の前記側面が固定され、前記第2ブロックの他の一方の前記側面には、前記第1ブロックの一方の前記側面が固定され、前記第1ブロックのうち前記第2ブロックに固定されている以外の前記側面には、前記第3ブロックの一方の前記側面が固定されていることを特徴とする光モジュール。
  2. 前記第1ブロックでの前記第3ブロック側の側面は、前記第3ブロックでの前記第1ブロック側の側面と互いに平行であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記第1ブロックでの前記第2ブロック側の側面は、前記第2ブロックでの前記第1ブロック側の側面と互いに平行であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  4. 前記励起光源は半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  5. 前記励起光源は、外部の光源から励起光を受光して前記レーザ媒質側に出射するライトガイドであることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  6. 前記レーザ媒質は導波路型のレーザ媒質であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  7. 前記波長変換素子は導波路型の波長変換素子であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
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