JP7494364B2 - 光学装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体レーザ素子を備える光学装置に関する。
なお、本開示は、平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用ＧａＮ系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願である。
レーザ加工は、レーザ光を用いるため、従来工法と比較して非接触加工、微細加工を実現することができる。特に、半導体レーザ素子を光源として用いるダイレクトダイオードレーザ方式は、レーザ光を変換しないため高効率である。しかしながら、半導体レーザ素子の出力は、発光部であるエミッタ１個あたり、数ワットである。また、加工用途としてレーザ光を用いるためには、数百ワット～数キロワットの光出力が必要である。そのため、加工用途としてレーザ光を用いる場合、例えば、半導体レーザ素子には、複数のエミッタを多数並べたアレイ構造が採用される。複数のマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子によれば、それぞれのエミッタから出力されるレーザ光を合成することで、大出力のレーザ光を得ることができる。
例えば、ＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）系半導体レーザ素子を用いた光学装置において、ＧａＮ系半導体レーザ素子を収容しているパッケージ内に存在する低分子シロキサンがレーザ光と反応し、半導体レーザ素子の端面に付着することで、レーザ特性を劣化させる問題がある。そのため、ＧａＮ系半導体レーザ素子は、パッケージ内を気密封止することによって、半導体レーザ素子端面の汚染を抑制している。
しかしながら、マルチエミッタ構造の半導体レーザ素子のサイズは、シングルエミッタ構造の半導体レーザ素子のサイズと比較して、８０倍程度の大きさとなる。そのため、半導体レーザ素子全体を気密封止するためには、コストがかかる。そこで、半導体レーザ素子を収容しているパッケージ内に気体を流すことで、汚染物質が半導体レーザ素子端面に付着することを抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２－１４４０７３号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、半導体レーザ素子の光出射面に対向する位置にレンズ等の光学部品を３０μｍ～２００μｍ程度の間を空けて配置した場合に、半導体レーザ素子の光出射面近傍に気体を流すことは困難である。さらに、半導体レーザ素子の光出射面近傍では、気体が停滞するために、汚染物質が溜まりやすい。
本開示は、半導体レーザ素子端面への汚染物質の付着を抑制できる光学装置を提供する。
本開示の一態様に係る光学装置は、レーザ光を射出する半導体レーザ素子と、前記レーザ光が射出される光出射面に対向して、且つ、前記光出射面と離間して配置された光学部品と、前記半導体レーザ素子及び前記光学部品を収容し、気体を導入するための導入口及び前記気体を排出するための排気口を有するケースと、を備え、前記導入口及び前記排気口は、前記導入口から導入される前記気体が前記半導体レーザ素子の前記光出射面近傍を流れるように配置される。
本開示に係る光学装置によれば、半導体レーザ素子端面への汚染物質の付着を抑制できる。
図１Ａは、実施の形態１に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る光学装置の内部構成を示す側面図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係る光学装置を示す部分側面図である。 図１Ｄは、実施の形態１に係る光学装置を示す部分正面図である。 図２は、実施の形態１に係る光学装置の光学特性の変化を示すグラフである。 図３Ａは、実施の形態１の変形例１に係る光学装置を示す部分側面図である。 図３Ｂは、実施の形態１の変形例１に係る光学装置を示す部分正面図である。 図４Ａは、実施の形態１の変形例２に係る光学装置を示す部分側面図である。 図４Ｂは、実施の形態１の変形例２に係る光学装置を示す部分正面図である。 図５Ａは、実施の形態１の変形例３に係る光学装置を示す部分側面図である。 図５Ｂは、実施の形態１の変形例３に係る光学装置を示す部分正面図である。 図６は、実施の形態１の変形例４に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。 図７は、実施の形態１の変形例５に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。 図８は、実施の形態２に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。 図９は、実施の形態２の変形例に係る光学装置の内部構成を示す部分上面図である。 図１０は、実施の形態３に係る光学装置の内部構成を示す部分上面図である。 図１１Ａは、実施の形態４に係る光学装置を示す部分側面図である。 図１１Ｂは、実施の形態４に係る光学装置を示す部分斜視図である。 図１２Ａは、実施の形態４の変形例１に係る光学装置を示す部分側面図である。 図１２Ｂは、実施の形態４の変形例１に係る光学装置を示す部分斜視図である。 図１３Ａは、実施の形態４の変形例２に係る光学装置を示す部分側面図である。 図１３Ｂは、実施の形態４の変形例２に係る光学装置を示す部分斜視図である。 図１４Ａは、実施の形態４の変形例３に係る光学装置を示す部分側面図である。 図１４Ｂは、実施の形態４の変形例３に係る光学装置を示す部分斜視図である。
以下、本開示の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本開示は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素について説明される。
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、実質的に同一の構成に対する重複説明は省略する場合がある。
また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、Ｚ軸正方向を上方とし、Ｚ軸負方向を下方としている。また、本明細書において、「厚み方向」とは、光学装置の厚み方向を意味し、ケースにおける半導体レーザ素子が実装される実装面に垂直な方向のことであり、「平面視」とは、当該実装面に対して垂直な方向から見たときのことをいう。また、「正面視」とは、半導体レーザ素子の光出射面に垂直な方向から、当該光出射面を見たときのことをいう。
また、各図において、気体の流れを破線矢印で模式的に示している。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではない。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
なお、本明細書において、平行、直方体等の位置関係、形状等を示す場合、完全な平行、完全な直方体を含むだけでなく、製造上の誤差を含むことを意味する。例えば、平行とは、略平行すなわち製造上の誤差を含む。また、例えば、直方体とは、略直方体すなわち製造上の誤差を含む。
（実施の形態１）
［構成］
図１Ａは、実施の形態１に係る光学装置１００の内部構成を示す上面図である。図１Ｂは、実施の形態１に係る光学装置１００の内部構成を示す側面図である。図１Ｃは、実施の形態１に係る光学装置１００を示す部分側面図である。図１Ｄは、実施の形態１に係る光学装置１００を示す部分正面図である。なお、図１Ｃ及び図１Ｄには、光学装置１００の構成要素のうちの一部のみを図示している。
光学装置１００は、レーザ光２１０を射出するレーザモジュールである。光学装置１００は、例えば、レーザ加工用の加工装置のレーザ光源として用いられる。本実施の形態では、光学装置１００は、いわゆるＣＡＮパッケージのレーザダイオードモジュールである。
光学装置１００は、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、流路部（筒体）１５０と、気体供給装置１９０と、を備える。
光学デバイス２２０は、レーザ光２１０を射出する。具体的には、光学デバイス２２０は、半導体レーザ素子１１０と、サブマウント基板１２０と、支持部材１６０、１６１と、を備える。
半導体レーザ素子１１０は、レーザ光２１０を射出する半導体素子である。半導体レーザ素子１１０は、例えば、波長が３５０ｎｍ～４５０ｎｍ程度の青色光～紫外光を射出する。半導体レーザ素子１１０は、発光点が１つのシングルエミッタレーザダイオードでもよいし、発光点が複数のマルチエミッタレーザダイオードでもよい。半導体レーザ素子１１０は、例えば、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系の半導体である。
サブマウント基板１２０は、半導体レーザ素子１１０が実装される基板である。サブマウント基板１２０に採用される材料は、特に限定されないが、例えば、ＣｕＷ等の金属材料または、ＡｌＮ等のセラミクス材料である。
支持部材１６０、１６１は、サブマウント基板１２０に実装された半導体レーザ素子１１０をケース１４０に支持する部材である。支持部材１６０、１６１は、サブマウント基板１２０に実装された半導体レーザ素子１１０を上下方向から挟むようにケース１４０に配置されている。支持部材１６０、１６１に採用される材料は、特に限定されないが、例えば、Ｃｕ等の金属材料である。なお、支持部材１６０、１６１には、熱伝導性の高い材料が採用されるとよい。これにより、半導体レーザ素子１１０で発生した熱が、ケース１４０へ放熱されやすくなる。
また、サブマウント基板１２０及び支持部材１６０、１６１には、半導体レーザ素子１１０と電気的に接続する金属配線が形成されていてもよい。例えば、半導体レーザ素子１１０には、当該金属配線及びケース１４０に形成された図示しない配線等を介して、電力が供給される。
光学部品１３０は、半導体レーザ素子１１０が射出したレーザ光２１０の配光を制御して透過する。光学部品１３０は、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に対向して、且つ、離間してケース１４０に配置されている。光学部品１３０は、例えば、レンズである。本実施の形態では、光学部品１３０は、コリメートレンズである。なお、本実施の形態では、光学部品１３０は、一方の面が平坦な平凸レンズであるが、両凸レンズでもよいし、凹レンズでもよく、レーザ光２１０を透過する光透過性を有し、且つ、レーザ光２１０の配光を制御できればよく、形状は特に限定されない。また、光学部品１３０に採用される材料は、ガラス材料、樹脂材料等、任意に選択されてよい。また、光学部品１３０は、レンズホルダ等に配置された状態でケース１４０に固定されてもよい。
ケース１４０は、半導体レーザ素子１１０及び光学部品１３０を収容する筐体である。ケース１４０の形状は、特に限定されないが、例えば、直方体形状、円筒形状等である。ケース１４０における、半導体レーザ素子１１０と対向する面（本実施の形態では、Ｘ軸正方向側の面）には、レーザ光２１０を透過する透光窓２３０が形成されている。透光窓２３０は、レーザ光２１０を透過する透光部材であり、例えば、ケース１４０に形成された貫通孔に嵌め込まれてケース１４０に固定されている。ケース１４０に採用される材料は、特に限定されないが、例えば、金属である。
また、ケース１４０には、ケース１４０の内部に気体を導入するための導入口１４１と、ケース１４０の内部の気体をケース１４０の外部に排出するための排気口１４２とを有する。なお、本実施の形態では、ケース１４０は、導入口１４１と排気口１４２とをそれぞれ１つずつ有するが、導入口１４１と排気口１４２とをそれぞれ複数有してもよい。また、導入口１４１と排気口１４２とは、それぞれケース１４０の任意の位置に形成されていてもよい。ケース１４０は、例えば、導入口１４１をケース１４０の後方（本実施の形態では、Ｘ軸負方向側）に有し、排気口１４２をケース１４０の前方（本実施の形態では、Ｘ軸正方向側）に有してもよいし、或いは、導入口１４１をケース１４０の前方に有し、排気口１４２をケース１４０の後方に有してもよい。また、ケース１４０は、例えば、導入口１４１をケース１４０の上方（本実施の形態では、Ｚ軸正方向側）に有し、排気口１４２をケース１４０の下方（本実施の形態では、Ｚ軸負方向側）に有してもよいし、或いは、導入口１４１をケース１４０の下方に有し、排気口１４２をケース１４０の上方に有してもよい。また、導入口１４１及び排気口１４２は、ケース１４０の対向する面に形成されてもよい。
流路部（筒体）１５０は、ケース１４０が有する導入口１４１から導入された気体を半導体レーザ素子１１０に導く流路１５２を有する。より具体的には、流路部１５０は、ケース１４０が有する導入口１４１から導入された気体を半導体レーザ素子１１０における光出射面１１１に導く流路１５２を有する。導入口１４１から導入された気体は、筒体１５０の内部に形成された流路１５２を通過して吹付口１５１から噴き出されて光出射面１１１に吹き付けられる。吹付口１５１は、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体を吹き付けるために筒体１５０に設けられている。本実施の形態では、光学装置１００が備える流路部（筒体）１５０が吹付口１５１を有する。図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、吹付口１５１は、例えば、光出射面１１１に平行な方向から見た場合に、半導体レーザ素子１１０と光学部品１３０との間に位置する。例えば、吹付口１５１から出射される気体の出射方向は、光出射面１１１と交差する方向である。
筒体１５０には、導入口１４１と吹付口１５１とを接続し、気体が通過する流路１５２が形成されている。具体的には、筒体１５０は、吹付口１５１を有し、導入口１４１に接続されている。より具体的には、筒体１５０の一端は、気体を供給する装置である気体供給装置１９０に接続されている。気体供給装置１９０から供給された気体は、導入口１４１及び流路１５２を通過して、筒体１５０の他端側に位置する吹付口１５１から排出されることで、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に吹き付けられる。本実施の形態では、筒体１５０は、ケース１４０のＸ軸負方向側に位置する導入口１４１からＸ軸正方向側に光出射面１１１を超えて延在しており、さらに、光出射面１１１に向けてＸ軸負方向側且つＺ軸負方向側に折れ曲がっている。
気体供給装置１９０は、ケース１４０の内部に気体を導入させるために、導入口１４１、具体的には、導入口１４１及び筒体１５０の流路１５２を介して吹付口１５１に気体を供給する装置である。気体供給装置１９０は、例えば、気体を供給するポンプである。
なお、吹付口１５１は、ケース１４０に直接形成されていてもよい。この場合、導入口１４１と、吹付口１５１とは、同一でもよい。
また、筒体１５０は、ケース１４０と一体に形成されていてもよいし、ケース１４０とは別体として形成されていてもよい。
［光学特性］
続いて、光学装置１００の光学特性について、比較例とともに説明する。
図２は、実施の形態１に係る光学装置１００の光学特性の変化を示すグラフである。具体的には、図２に示すグラフは、経過時間に対する光出力の変化の一例を示している。また、図２には、実施の形態１に係る光学装置１００の光学特性の実験結果を実線で示し、気体を光出射面１１１に吹き付けず、ケース１４０をドライエアで気密封止した比較例の実験結果を破線で示している。またケース１４０を気密封止せず、且つ、光出射面１１１に気体を吹き付けない比較例の実験結果を二点鎖線で示している。なお、図２のグラフに実線で示す光学装置１００に用いられる気体であるドライエアは、空気中の水分を取り除いた大気、つまり、Ｎ２とＯ２とを含む気体である。なお、各実験結果は、それぞれ経過時間が０のときの光出力で規格化した値を示している。
図２に示す結果から、光学装置１００によれば、気密封止することなく、気密封止した比較例と同様の光学特性を得られていることが分かる。これは、光学装置１００が備える光出射面１１１が気体を吹き付けることで、汚れが付着しないために端面がきれいに保たれていたためと考えられる。光出射面１１１に吹き付けられる気体は、酸素に加えて、さらに、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、ハロゲン系ガス、及び、ハロゲン化合物ガスのうち少なくとも１種を含むとよい。
［効果等］
以上のように、実施の形態１に係る光学装置１００は、レーザ光２１０を射出する半導体レーザ素子１１０と、レーザ光２１０が射出される光出射面１１１に対向して、且つ、光出射面１１１と離間して配置された光学部品１３０と、半導体レーザ素子１１０及び光学部品１３０を収容し、気体を導入するための導入口１４１及び気体を排出するための排気口１４２を有するケース１４０と、半導体レーザ素子１１０に、導入口１４１から導入された気体を吹き付けるための吹付口１５１を有する流路部（筒体）１５０と、を備える。より具体的には、流路部１５０は、半導体レーザ素子１１１０における光出射面１１１に、導入口１４１から導入された気体を吹き付けるための吹付口１５１を有する。
光学装置１００の光学デバイス２２０、光学部品１３０等の構成要素は、例えば、シリコーン樹脂等のＳｉを含む樹脂材料によって、ケース１４０に固定される場合がある。また、半導体レーザ素子１１０が青紫色等の短波長のレーザ光２１０を射出する場合、ケース１４０内で気化したＳｉからなるシロキサン等の物質が、レーザ光２１０と反応して固化する場合がある。これら、光出射面１１１に汚染物質として付着すると、半導体レーザ素子１１０の光学特性が劣化する。そこで、光学装置１００は、光出射面１１１に気体を吹き付ける吹付口１５１を備える。
このような構成によれば、例えば、半導体レーザ素子１１０と光学部品１３０とが３０μｍ～２００μｍ程度の間を空けて近接してケース１４０内に配置される場合において、半導体レーザ素子１１０端面、つまり、光出射面１１１に気体を直接又は間接的に、例えば、半導体レーザ素子１１０に吹き付けられた気体が光出射面１１１に回り込む等して、吹き付けることができる。これにより、半導体レーザ素子１１０端面、つまり、光出射面１１１への汚染物質の付着を抑制できる。そのため、半導体レーザ素子１１０の光学特性、具体的には、図２に示す時間に対する光出力の低下を抑制できる。また、半導体レーザ素子１１０に気体が吹き付けられることで、半導体レーザ素子１１０の温度の上昇を抑制、つまり、半導体レーザ素子１１０の温度を下げることができる。そのため、半導体レーザ素子１１０の光出力が安定する等、光特性の変化を抑制できる。
また、例えば、流路部１５０が、半導体レーザ素子１１１０における光出射面１１１に、導入口１４１から導入された気体を吹き付けるための吹付口１５１を有することで、半導体レーザ素子１１０と光学部品１３０とが３０μｍ～２００μｍ程度の間を空けて近接してケース１４０内に配置される場合において、半導体レーザ素子１１０端面、つまり、光出射面１１１に気体を直接吹き付けることができる。これにより、半導体レーザ素子１１０端面、つまり、光出射面１１１への汚染物質の付着をさらに抑制できる。そのため、半導体レーザ素子１１０の光学特性、具体的には、図２に示す時間に対する光出力の低下を抑制できる。
また、例えば、光出射面１１１に平行な方向から見た場合に、吹付口１５１は、半導体レーザ素子１１０と光学部品１３０との間に位置する。
このような構成によれば、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に効果的に吹き付けることができる。これにより、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１への汚染物質の付着をより抑制できる。
また、例えば、筒体１５０は、導入口１４１と吹付口１５１とを接続し、気体が通過する流路１５２を有する。
このような構成によれば、導入口１４１から導入された気体を効果的に半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１まで導くことができる。そのため、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１への汚染物質の付着をより抑制できる。
また、例えば、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に吹き付けられる気体は、酸素を含む。
これにより、光学装置１００における時間に対する光出力の劣化を抑制することができる。
また、例えば、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に吹き付けられる気体は、酸素子加えて、さらに、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、ハロゲン系ガス、及び、ハロゲン化合物ガスの内少なくとも１種を含む。
これらのように、酸素の他に、不活性ガスが採用されることで、光学装置１００における時間に対する光出力の劣化を抑制することができる。また、これらの気体は、熱伝導性も高い。熱伝導性の高い気体が採用されることで、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１への汚染物質の付着を抑制し、且つ、半導体レーザ素子１１０で発生した熱を、半導体レーザ素子１１０から放熱させやすくすることができる。
［変形例１］
図３Ａは、実施の形態１の変形例１に係る光学装置１００ａを示す部分側面図である。図３Ｂは、実施の形態１の変形例１に係る光学装置１００ａを示す部分正面図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂには、図１Ｃ及び図１Ｄに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、光学装置１００ａにおいては、吹付口１５１は下方側に配置されている。このように、吹付口１５１が配置される箇所は、光出射面１１１に気体を吹き付けられる位置であればよい。
［変形例２］
図４Ａは、実施の形態１の変形例２に係る光学装置１００ｂを示す部分側面図である。図４Ｂは、実施の形態１の変形例２に係る光学装置１００ｂを示す部分正面図である。なお、図４Ａ及び図４Ｂには、図１Ｃ及び図１Ｄに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光学装置１００ｂは、吹付口１５１を複数有する。例えば、光学装置１００ｂは、吹付口１５１を有する筒体１５０を複数有する。このように、吹付口１５１は、光学装置１００ｂに複数設けられてもよい。
［変形例３］
図５Ａは、実施の形態１の変形例３に係る光学装置１００ｃを示す部分側面図である。図５Ｂは、実施の形態１の変形例３に係る光学装置を示す部分正面図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂには、図１Ｃ及び図１Ｄに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、光学装置１００ｃにおいては、吹付口１５１は下方側に配置されている。また、光学装置１００ｃは、吹付口１５１を複数有する。例えば、光学装置１００ｃは、吹付口１５１を有する図示しない筒体を複数有する。このように、実施の形態及び変形例に示す構成は、任意に組み合わされてよい。
［変形例４］
図６は、実施の形態１の変形例４に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。なお、図６は、図１Ａに対応する上面図である。
図６に示すように、光学装置１００ｄが備える筒体１５０は、光学デバイス２２０の上方を通過せず、光学デバイスの側方（本実施の形態では、Ｙ軸方向）を通過するように延在している。また、光学装置１００ｄにおいては、吹付口１５１は側方側に配置されている。このように、筒体１５０がケース１４０内で設けられる位置及び姿勢は、任意に選択されてよい。
［変形例５］
図７は、実施の形態１の変形例５に係る光学装置の内部構成を示す上面図である。なお、図７は、図１Ａに対応する上面図である。
図７に示すように、光学装置１００ｅが備える筒体１５０ａは、２つの吹付口１５１を有する。具体的には、筒体１５０ａは、一端が気体供給装置１９０と接続し、気体供給装置１９０から二つ分岐して延在し、それぞれが光学デバイス２２０の上方を通過せず、且つ、それぞれが光学デバイス２２０の互いに異なる側方を通過するように延在している。このように、筒体１５０ａは、複数の吹付口１５１を有してもよい。
このような構成によれば、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１のより広い面積に気体が直接吹き付けられることとなる。これにより、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１への汚染物質の付着をより抑制できる。特に、半導体レーザ素子１１０として複数の発光点を有するマルチエミッタが採用される場合、吹付口１５１が複数設けられることで、複数の発光点のそれぞれに気体を吹き付けやすくすることができる。そのため、例えば、半導体レーザ素子１１０がマルチエミッタの場合においても、複数の発光点それぞれへの汚染物質の付着を抑制できる。
なお、複数の吹付口１５１がそれぞれのケース１４０内で設けられる位置は、任意に選択されてよい。
（実施の形態２）
続いて、図８及び図９を参照して、実施の形態２に係る光学装置について説明する。
なお、実施の形態２に係る光学装置の説明においては、実施の形態１に係る光学装置１００と実質的に同一の構成に関しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［構成］
図８は、実施の形態２に係る光学装置１０１の内部構成を示す上面図である。なお、図８は、図１Ａに対応する上面図である。
光学装置１０１は、レーザ光２１０を射出するレーザモジュールである。光学装置１０１は、例えば、レーザ加工用の加工装置のレーザ光源として用いられる。本実施の形態では、光学装置１０１は、いわゆるＣＡＮパッケージのレーザダイオードモジュールである。
光学装置１０１は、複数の光学デバイス２２０と、複数の光学部品１３０と、光学部品１３１と、ケース１４０と、複数の吹付口１５１を有する筒体１５０ｂと、を備える。実施の形態２に係る光学装置１０１は、実施の形態１に係る光学装置１００とは、複数の光学デバイス２２０、つまり、複数の半導体レーザ素子１１０を備え、且つ、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに対応して光学部品１３０及び吹付口１５１が設けられている点が異なる。
複数の光学部品１３０のそれぞれは、複数の光学デバイス２２０、具体的には、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに１対１で対応し、光出射面１１１に対向して、且つ、離間してケース１４０に配置されている。
複数の吹付口１５１のそれぞれは、複数の光学デバイス２２０、具体的には、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに１対１で対応し、光出射面１１１に気体を吹き付けるために筒体１５０ｂに設けられている。つまり、筒体１５０ｂは、複数の吹付口１５１を有する。さらに、複数の吹付口１５１は、それぞれ複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに１対１で対応するように配置されている。本実施の形態では、光学装置１０１が備える１つの筒体１５０ｂが吹付口１５１を備える。
筒体１５０ｂは、導入口１４１と複数の吹付口１５１とを接続し、気体が通過する流路を内部に有する。具体的には、筒体１５０ｂは、複数の吹付口１５１を有し、導入口１４１に一部が配置されている。筒体１５０ｂの一端は、気体を供給する装置である気体供給装置１９０に接続されている。気体供給装置１９０から供給された気体は、筒体１５０ｂの内部に形成された流路を通過して、筒体１５０ｂの他端側に位置する複数の吹付口１５１から排出されることで、複数の光学デバイス２２０のそれぞれが有する半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に吹き付けられる。
筒体１５０ｂは、一端が気体供給装置１９０と接続し、気体供給装置１９０から光学デバイス２２０の数だけ複数に分岐して延在し、それぞれが光学デバイス２２０の側方を通過するように延在している。
なお、光学装置１０１は、筒体１５０ｂのように、複数の吹付口１５１を有する１つの筒体１５０ｂを備えてもよいし、例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示す光学装置１００ｃのように、複数の筒体１５０を備え、それぞれの筒体１５０の吹付口１５１からそれぞれの光学デバイス２２０が備える半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体を吹き付けてもよい。
光学部品１３１は、複数の光学部品１３０を通過したレーザ光２１０を集光し、集光したレーザ光２１０ａを透光窓２３０に向けて出射するレンズである。なお、光学部品１３１は、一方の面が平坦な平凸レンズであるが、両凸レンズでもよいし、凹レンズでもよく、レーザ光２１０を透過する光透過性を有し、且つ、レーザ光２１０の配光を制御できればよく、形状は特に限定されない。また、光学部品１３０に採用される材料は、ガラス材料、樹脂材料等、任意に選択されてよい。また、光学部品１３１は、レンズホルダ等に配置された状態でケース１４０に固定されてもよい。
［効果等］
以上のように、実施の形態２に係る光学装置１０１は、半導体レーザ素子１１０を複数有し、複数の吹付口１５１は、それぞれ複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに１対１で対応するように配置されている。
このような構成によれば、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれの光出射面１１１に気体を吹き付けることができる。これにより、光学装置１０１のように、複数の半導体レーザ素子１１０が備えられる場合においても、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれの光出射面１１１への汚染物質の付着を抑制できる。
［変形例］
図９は、実施の形態２の変形例に係る光学装置１０１ａの内部構成を示す部分上面図である。なお、図９は、図１Ａに対応する上面図である。
光学装置１０１ａは、光学装置１０１と同様に、複数の光学デバイス２２０と、複数の光学部品１３０と、光学部品１３１と、ケース１４０と、複数の吹付口１５１と、を備える。また、光学装置１０１ａは、光学装置１０１と同様に、複数の光学デバイス２２０、つまり、複数の半導体レーザ素子１１０（例えば、図１Ｂ参照）を備え、且つ、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに対応して光学部品１３０及び吹付口１５１が設けられている。
複数の吹付口１５１のそれぞれは、複数の光学デバイス２２０、具体的には、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれに１対１で対応し、光出射面１１１に気体を吹き付けるための孔である。つまり、複数の吹付口１５１は、それぞれ複数の半導体レーザ素子１１０ａのそれぞれに１対１で対応するように配置されている。本変形例では、光学装置１０１が備える１つの筒体１５０ｃが複数の吹付口１５１を備える。
筒体１５０ｃは、導入口１４１と複数の吹付口１５１とを接続し、気体が通過する流路を内部に有する。具体的には、筒体１５０ｃは、複数の吹付口１５１を有し、導入口１４１に一部が配置されている。筒体１５０ｃの一端は、気体を供給する装置である気体供給装置１９０に接続されている。気体供給装置１９０から供給された気体は、筒体１５０ｃの内部に形成された流路を通過して、筒体１５０ｃの他端側に位置する複数の吹付口１５１から排出されることで、複数の光学デバイス２２０のそれぞれが有する半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に吹き付けられる。
筒体１５０ｃは、一端が気体供給装置１９０と接続し、気体供給装置１９０から光学デバイス２２０の数だけ複数に分岐して延在し、それぞれが光学デバイス２２０の上方を通過するように延在している。このような構成によってもまた、複数の半導体レーザ素子１１０のそれぞれの光出射面１１１に気体を吹き付けることができる。
（実施の形態３）
続いて、図１０を参照して、実施の形態３に係る光学装置について説明する。
なお、実施の形態３に係る光学装置の説明においては、実施の形態１に係る光学装置１００と実質的に同一の構成に関しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［構成］
図１０は、実施の形態３に係る光学装置１０２の内部構成を示す部分上面図である。
光学装置１０２は、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、吹付口１５１を有する筒体１５０と、を備える。また、光学装置１０２は、循環装置１８０を備える。
循環装置１８０は、導入口１４１と排気口１４２とにケース１４０の外部で接続し、排気口１４２から気体を排気させ、排気口１４２から排気させた気体を導入口１４１から導入させることで、ケース１４０内の気体を循環させる。循環装置１８０は、例えば、気体供給装置１８０ａと、筒体１８０ｂと、筒体１８０ｃと、を備える。
気体供給装置１８０ａは、筒体１８０ｃから供給された気体を筒体１８０ｂへ供給させることで、ケース１４０内の気体を循環させる。気体供給装置１８０ａは、例えば、気体を循環させるためのポンプと気体中のごみを取り除くためのフィルタとを備える。
筒体１８０ｂは、内部に気体が通過する流路を有し、一端が気体供給装置１８０ａと接続され、他端が導入口１４１と接続されている。本実施の形態では、筒体１８０ｂは、導入口１４１から延在して吹付口１５１と接続されている。
筒体１８０ｃは、内部に気体が通過する流路を有し、一端がケース１４０の排気口１４２と接続され、他端が気体供給装置１８０ａと接続されている。
［効果等］
以上のように、実施の形態３に係る光学装置１０２は、半導体レーザ素子１１０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、流路部１５０と、を備え、さらに、導入口１４１と排気口１４２とにケース１４０の外部で接続し、排気口１４２から気体を排気させ、排気口１４２から排気させた気体を導入口１４１から導入させることで、ケース１４０内の気体を循環させる循環装置１８０を備える。
このような構成によれば、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体が直接吹き付けられる。これにより、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１への汚染物質の付着を抑制できる。また、ケース１４０内の気体を循環して用いることで、例えば、気体中の酸素濃度等の成分濃度を調整する場合には、気体中の成分の濃度調整を一度行うことで、調整した濃度の気体を光出射面１１１に吹き付け続けることができる。
（実施の形態４）
続いて、図１１Ａ～図１４Ｂを参照して、実施の形態４に係る光学装置について説明する。
なお、実施の形態４に係る光学装置の説明においては、実施の形態１に係る光学装置１００と実質的に同一の構成に関しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［構成］
図１１Ａは、実施の形態４に係る光学装置１０３を示す部分側面図である。図１１Ｂは、実施の形態４に係る光学装置１０３を示す部分斜視図である。
なお、図１１Ａには、図１Ｃに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。また、図１１Ｂにおいても、ケース１４０等の構成要素の一部の図示を省略して示している。
光学装置１０３は、レーザ光２１０を射出するレーザモジュールである。光学装置１００は、例えば、レーザ加工用の加工装置のレーザ光源として用いられる。本実施の形態では、光学装置１０３は、いわゆるＣＡＮパッケージのレーザダイオードモジュールである。
光学装置１０３は、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、吹付口１５１を有する複数の筒体１５０と、を備える。なお、光学装置１０３は、図示しないが、光学装置１００と同様に、光学デバイス２２０及び光学部品１３０を収容するケース１４０（例えば、図１Ａ参照）と、筒体１５０に気体を供給する気体供給装置１９０と、を備えている。
また、光学装置１０３が備える光学部品１３０は、固定部材１７０により支持部材１６０に固定されている。
固定部材１７０は、光学部品１３０を支持部材１６０に固定する。固定部材１７０は、例えば、樹脂材料である。
また、固定部材１７０には、例えば、貫通孔１７１が形成されている。
貫通孔１７１は、吹付口１５１から噴き出された気体が通過する。また、貫通孔１７１は、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１と吹付口１５１との間に位置する。
なお、図１１Ｂには、光学装置１０３が、複数の筒体１５０、つまり、複数の吹付口１５１と、複数の吹付口１５１に対応して複数の貫通孔１７１が形成されている固定部材１７０について例示している。光学装置１０３は、１つの筒体１５０、つまり、１つの吹付口１５１と、１つの貫通孔が形成されている固定部材１７０とを備えてもよい。
また、貫通孔１７１の形状、サイズ、及び、個数は、特に限定されるものではない。例えば、光学装置１０３は、複数の筒体１５０、つまり、複数の吹付口１５１と、複数の吹付口１５１に対応して、上面視で長尺な１つの貫通孔１７１が形成されている固定部材１７０を備えてもよい。
また、貫通孔１７１と筒体１５０とは、接続されていてもよい。この場合、貫通孔１７１における光出射面１１１側の開口が、吹付口１５１でもよい。
［効果等］
以上のように、実施の形態４に係る光学装置１０３は、半導体レーザ素子１１０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、流路部１５０と、を備え、さらに、半導体レーザ素子１１０とケース１４０との間に配置され、半導体レーザ素子１１０を支持する支持部材１６０と、光学部品１３０を支持部材１６０に固定する固定部材１７０と、を備える。
このような構成によれば、例えば、半導体レーザ素子１１０を備える光学デバイス２２０と、光学部品１３０とをそれぞれケース１４０内に配置する場合と比較して、半導体レーザ素子１１０と光学部品１３０との相対的な位置関係がずれにくくなる。そのため、光学装置１０３によれば、光学装置１０３から射出されるレーザ光２１０の配光特性を所望の配光特性にするように製造し易くなる。
また、例えば、固定部材１７０には、吹付口１５１から噴き出された気体が通過する貫通孔１７１が形成されており、貫通孔１７１は、光出射面１１１と吹付口１５１との間に位置する。
このような構成によれば、吹付口１５１及び固定部材１７０がどこに配置されても、貫通孔１７１を通過して半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体を直接吹き付けることができる。これにより、半導体レーザ素子１１０端面、つまり、光出射面１１１への汚染物質の付着を抑制できる。そのため、半導体レーザ素子１１０の光学特性、具体的には、図２に示す時間に対する光出力の低下を抑制できる。
［変形例１］
図１２Ａは、実施の形態４の変形例１に係る光学装置１０３ａを示す部分側面図である。図１２Ｂは、実施の形態４の変形例１に係る光学装置１０３ａを示す部分斜視図である。
なお、図１２Ａには、図１Ｃに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。また、図１２Ｂにおいても、ケース１４０等の構成要素の一部の図示を省略して示している。
光学装置１０３ａは、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、吹付口１５１を有する筒体１５０と、を備える。なお、光学装置１０３ａは、図示しないが、光学装置１００と同様に、光学デバイス２２０及び光学部品１３０を収容するケース１４０（例えば、図１Ａ参照）と、筒体１５０に気体を供給する気体供給装置１９０と、を備えている。
また、光学装置１０３ａが備える光学部品１３０は、固定部材１７０ａにより支持部材１６０に固定されている。
固定部材１７０ａは、光学部品１３０を支持部材１６０に固定する。固定部材１７０ａは、例えば、樹脂材料である。
また、固定部材１７０ａには、固定部材１７０とは異なり、貫通孔が形成されていない。吹付口１５１は、半導体レーザ素子１１０の側方に配置されており、側方側から、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体が吹き付けられる。このような構成によれば、固定部材１７０に貫通孔が形成されていな場合においても、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体を吹き付けることができる。
［変形例２］
図１３Ａは、実施の形態４の変形例２に係る光学装置１０３ｂを示す部分側面図である。図１３Ｂは、実施の形態４の変形例２に係る光学装置１０３ｂを示す部分斜視図である。
なお、図１３Ａには、図１Ｃに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。また、図１３Ｂにおいても、ケース１４０等の構成要素の一部の図示を省略して示している。
光学装置１０３ｂは、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、吹付口１５１を有する筒体１５０と、を備える。なお、光学装置１０３ｂは、図示しないが、光学装置１００と同様に、光学デバイス２２０及び光学部品１３０を収容するケース１４０（例えば、図１Ａ参照）と、筒体１５０に気体を供給する気体供給装置１９０（例えば、図１Ａ参照）と、を備えている。
また、光学装置１０３ｂが備える光学部品１３０は、固定部材１７０ｂにより支持部材１６１に固定されている。このように、光学部品１３０は、支持部材１６０及び支持部材１６１のいずれに固定されていてもよい。もちろん、光学部品１３０は、支持部材１６０及び支持部材１６１の両方に固定されていてもよい。
固定部材１７０ｂは、光学部品１３０を支持部材１６１に固定する。固定部材１７０ｂは、例えば、樹脂材料である。
また、固定部材１７０ｂには、固定部材１７０とは異なり、貫通孔が形成されていない。吹付口１５１は、半導体レーザ素子１１０の側方に配置されており、側方側から、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体が吹き付けられる。このような構成によれば、固定部材１７０ａに貫通孔が形成されていない場合においても、半導体レーザ素子１１０の光出射面１１１に気体を吹き付けることができる。
［変形例３］
図１４Ａは、実施の形態４の変形例３に係る光学装置１０３ｃを示す部分側面図である。図１４Ｂは、実施の形態４の変形例３に係る光学装置１０３ｃを示す部分斜視図である。
なお、図１４Ａには、図１Ｃに対応する構成要素を示しており、ケース１４０等の構成要素の一部を省略して示している。また、図１４Ｂにおいても、ケース１４０等の構成要素の一部の図示を省略して示している。
光学装置１０３ｃは、光学デバイス２２０と、光学部品１３０と、ケース１４０と、吹付口１５１を有する筒体１５０と、を備える。なお、光学装置１０３ｃは、図示しないが、光学装置１００と同様に、光学デバイス２２０及び光学部品１３０を収容するケース１４０（例えば、図１Ａ参照）と、筒体１５０に気体を供給する気体供給装置１９０（例えば、図１Ａ参照）と、を備えている。
また、光学装置１０３ｃが備える光学部品１３０は、２つの固定部材１７０ｃにより支持部材１６０に固定されている。このように、光学部品１３０は、複数の固定部材１７０ｃによって固定されていてもよい。
また、２つの固定部材１７０ｃは、離間して配置されている。これにより、２つの固定部材１７０ｃの間に形成された隙間である貫通孔１７１ａを介して、気体を光出射面１１１に吹き付けることができる。固定部材１７０ｃは、例えば、樹脂材料である。
（その他の実施の形態）
以上、一つ又は複数の態様に係る光学装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、又は、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
例えば、上記実施の形態では、吹付口を有する流路部は、筒体として説明したが、流路部の形状は、特に限定されない。例えば、流路部は、ケースの内部に形成される板体を１又は複数組み合わせることで形成されてもよい。また、流路部は、筒状ではなく、桶状でもよく、ケースの導入口から半導体レーザ素子の光出射面まで気体を導くことができる形状であればよい。
また、例えば、上記実施の形態では、光出射面を、半導体レーザ素子における光出射面として説明したが、例えば、半導体レーザ素子と光学部品との間に、レーザ光を透過する光透過部材がさらに配置される場合、光出射面を当該光透過部材における光学部品と対向する面としてもよい。
本開示の光学装置は、例えば、レーザ加工に用いられるレーザ光源として利用される。
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１０１、１０１ａ、１０２、１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ 光学装置
１１０ 半導体レーザ素子
１１１ 端面（光出射面）
１２０ サブマウント基板
１３０、１３１ 光学部品
１４０ ケース
１４１ 導入口
１４２ 排気口
１５０、１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１８０ｂ、１８０ｃ 流路部（筒体）
１５１ 吹付口
１５２ 流路
１６０、１６１ 支持部材
１７０、１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ 固定部材
１７１、１７１ａ 貫通孔
１８０ 循環装置
１８０ａ、１９０ 気体供給装置
２１０、２１０ａ レーザ光
２２０ 光学デバイス
２３０ 透光窓

Claims (11)

  1. レーザ光を射出する半導体レーザ素子と、
    前記レーザ光が射出される光出射面に対向して、且つ、前記光出射面と離間して配置された光学部品と、
    前記半導体レーザ素子及び前記光学部品を収容し、気体を導入するための導入口及び前記気体を排出するための排気口を有するケースと、を備え、
    前記導入口及び前記排気口は、前記導入口から導入される前記気体が前記半導体レーザ素子の前記光出射面に間接的に吹き付けられるように配置される
    光学装置。
  2. さらに、前記光出射面に、前記導入口から導入された前記気体を間接的に吹き付けるための吹付口を有する流路部を備える
    請求項１に記載の光学装置。
  3. 前記光出射面に平行な方向から見た場合に、前記吹付口は、前記半導体レーザ素子と前記光学部品との間に位置する
    請求項２に記載の光学装置。
  4. 前記流路部は、前記導入口と前記吹付口とを接続し、前記気体が通過する流路を有する筒体である
    請求項２又は３に記載の光学装置。
  5. さらに、前記半導体レーザ素子と前記ケースとの間に配置され、前記半導体レーザ素子を支持する支持部材と、
    前記光学部品を前記支持部材に固定する固定部材と、を備える
    請求項２～４のいずれか１項に記載の光学装置。
  6. 前記固定部材には、前記吹付口から噴き出された前記気体が通過する貫通孔が形成されており、
    前記貫通孔は、前記光出射面と前記吹付口との間に位置する
    請求項５に記載の光学装置。
  7. 前記流路部は、前記吹付口を複数有する
    請求項２～６のいずれか１項に記載の光学装置。
  8. 前記光学装置は、
    前記半導体レーザ素子を複数有し、
    複数の前記吹付口は、それぞれ複数の前記半導体レーザ素子のそれぞれに１対１で対応するように配置されている
    請求項７に記載の光学装置。
  9. 前記気体は、酸素を含む
    請求項１～８のいずれか１項に記載の光学装置。
  10. 前記気体は、さらに、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、ハロゲン系ガス、及び、ハロゲン化合物ガスの内少なくとも１種を含む
    請求項９に記載の光学装置。
  11. さらに、前記導入口と前記排気口とに前記ケースの外部で接続し、前記排気口から前記
    気体を排気させ、前記排気口から排気させた前記気体を前記導入口から導入させることで、前記ケース内の前記気体を循環させる循環装置を備える
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学装置。
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