JPH08505963A - 高出力半導体レーザ装置 - Google Patents
高出力半導体レーザ装置Info
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Abstract
(57)【要約】
高出力光学装置(10)は、各々が発光面を有する複数の半導体レーザダイオード(14)のアレイを含んでいる。複数の光ファイバ(22)は、各々が半導体レーザダイオードの1つの別々の半導体レーザダイオードの発光面の隣接する一端部を有している。円筒形レンズ(32)が、半導体レーザダイオードからの光を光ファイバに向けるために、光ファイバの各々の一端部を横切って延在している。光ファイバの各々からの結合されたビームに等しい出力の単一のビームを効果的に放出するように、光ファイバの他端部は一つに束ねられる。伝送光ファイバ(30)は、光ファイバの束ねられた端部の隣接する端部を有する。レンズ装置(26、28)が、光ファイバの束ねられた端部と伝送光ファイバとの間にあり、光ファイバの束ねられた端部から放出される大きいビームを伝送光ファイバに向ける。光ファイバの各々は、伝送光ファイバの開口数よりも小さい開口数を有しており、好ましくは、約0.12〜0.14の開口数を有している。
Description
【発明の詳細な説明】
高出力半導体レーザ装置 技術分野
本発明は、高出力半導体レーザ装置に関し、より詳細には、複数の半導体レー
ザからの高出力の光の、単一の光ファイバへの送出を行う光学装置に関する。背景技術
現在、レーザは、眼科手術などの多種類の医療手術に用いられる一般的な道具
になっている。医療手術に用いる所望の光出力を実現するために、これまでNd
:YAGおよび同類の固体レーザが使用されてきた。しかし、こうした固体レー
ザの動作が非能率なために、特に、フラッシュランプによってポンピングする場
合、このようなレーザ装置には、大きな電源のみならず、水による冷却が必要に
なる。その結果、レーザは、通常、携帯式ではなく、動作用の特別な壁コンセン
トを必要とする。さらに、これらの固体レーザは、コストがかかるうえに複雑で
あるという理由から、高価でもある。
半導体レーザは、小型、低コスト、低電力であることから、Nd:YAGおよ
び同類の固体レーザの代用品として非常に魅力的である。しかし、半導体レーザ
には、固体レーザに比べて、比較的低い光出力のみを放出するという重大な問題
がある。例えば、200μmの開口を有する大面積半導体レーザは、わずか約1
〜2ワットの出力しか放出しない。このため、1971年6月29日に許可され
た“Laser Arrays”と題する米国特許第3,590,248号(C
hatterton,Jr.)に記載されているように、半導体レーザからより
多くの出力を得るための在来の方法は、複数の半導体レーザからなるアレイを用
いて、全ての半導体レーザからの光ビームを複数の光ファイバによって単一のビ
ームにまとめるというものである。このような半導体レーザのアレイは、数十ワ
ットほど放出可能であるが、半導体レーザアレイから放出されたビームは、取り
扱いが容易ではない。例えば、半導体レーザアレイからのビームは、接触または
非接触手術に対する標準的な要件となっているファイバ伝送装置への結合が可能
になるような小さいスポットにフォーカシングするのが、非常に困難である。
半導体レーザから高出力(数十ワット)を得る手段は、過去数年間の研究テー
マであった。上記の問題を解決しようとするうちに、この問題が、高出力半導体
レーザアレイを用いて解決可能であり、そのアレイからの光を可能な限り多量に
結合するための一定の形をした特殊なファイバの開発が可能であることが明らか
になってきた。例えば、1987年8月25日に許可された米国特許第4,68
8,884号(Scifres)と1988年8月25日に許可された第4,7
63,975号(Scifres)を参照されたい。Spectra Diod
e Labs(SDL)は、所有権を有するファイバを使用しており、このファ
イバは、主張されているところによれば、アレイからの約10ワットを、0.4
開口数(NA)の400μmコアファイバに結合できる。SDLのものは、コン
パクトではあるが、大きな欠点がある。10ワットでは、大抵の手術に適用する
場合に出力が低すぎるうえ、0.37の標準NAを有するファイバ伝送装置に1
0ワットの電力を効果的に結合するには、NA=0.4では高すぎる。さらに、
狭い領域に大量の熱が発生するために、水による冷却が通常必要とされている。
したがって、SDLの装置は、医療に利用する際に有効でない場合がある。
Laser Diode Inc.(LDI)によって、別の方法が採用され
ている。そのLDP4000は、2mmのファイバ束から10ワットを放出する
。このLDP4000は、16のグループに分けられた64個の半導体レーザを
使用している。各半導体レーザが1本のファイバに結合されるので、64本のフ
ァイバがファイバ束に包含されることになる。標準的な医療ファイバ伝送装置は
、コアの直径が600μm以下のファイバを用いることから、このような装置が
医療用には役に立たないことは明らかである。さらに、この装置は、アレイ内で
使
用されている多数のレーザのために、各半導体レーザについての結合効率が悪い
ように思われる。その結果、LDP4000は、非能率であるだけでなく、手術
によっては、適さないこともある。
SDLおよびLDIの両方によって使用されている半導体レーザは、すべて発
光波長が約800nmの半導体レーザであるということを指摘することも重要で
ある。さらに、上記のレーザアレイは、単一の半導体レーザ素子が低い抵抗値を
示すという故障を起こした場合に、装置全体の故障に陥りやすい。
半導体レーザからの光を光ファイバに効率的に結合するという問題は、長年に
わたり重要な課題となっていた。これは、半導体ダイオード、PN接合、レーザ
からの放出角が、垂直(ダイオードレーザのPN接合に対して垂直)方向および
水平(PN接合に対して平行)方向の両方において対称でないためである。垂直
放出角は、水平放出角(約8度FWHM)に比べて、通常、かなり大きい(約4
0度FWHM)。これは、通常のファイバ(NAが約0.2)に対する結合効率
を、かなり低くする。結合効率を向上させるための努力は、半導体レーザの導波
路構造の変更、外部光学素子の使用、およびファイバ先端の形状加工を含む。導
波路構造の変更は、放出角をある程度改善できるが、必ず、他の動作特性に関す
る妥協を含む。外部光学素子の使用は、NAが非常に高い(0.5を上回る)集
光レンズ(コリメートレンズ)の使用を含み、さらに別のレンズを用いてファイ
バに光を再フォーカシングし直すことを含む。(“Ball Lenses C
ollimate,etc.”、NASA Tech Briefs、4月、1
993年、26〜27頁、1991年2月26日に許可された米国特許第4,9
95,687号(Nagal他)、および1980年2月5日に許可された米国
特許第4,186,995号(Schumacher)を参照)。
通信、CDプレイヤー、レーザプリンタに用いられる低出力半導体レーザなど
の小放出開口レーザでの高い結合効率は、レンズの使用によってが実現できる。
しかし、レンズの高いNAは、水平方向に光をフォーカシングする傾向があり、
ファイバの受入れ角よりも大きい角度で光をファイバに入射させることから、そ
のようなレンズは、広い放出開口を有する高出力レーザには有用ではない。ファ
イバの先端の形状加工は、外部光学素子を使用したときと同じ効果が得られるが
、レンズ用の精巧な装着機構部を必要としない。このため、光ファイバへの高出
力大面積半導体レーザの結合効率を高めるためには、別の何らかの方法を考案し
なければならない。
周知のように、全ての高出力半導体レーザは、広い開口(即ちストライプ)を
有する構造を備えている。この広い開口は、1本のストライプで形成され得るか
、または、そのような開口を満たす多くの小さなストライプからなり得る。いず
れの場合も、ストライプ方向の横モードが現実には多重モードであり、近視野(
半導体レーザの放出面の光分布)が特質的にフィラメント状(レーザを同時に放
出する多数の輝点)である。発光パターン(遠視野)は、通常、非常に複雑であ
り、入力電流によって決まる。(光学レンズ撮像装置を使用せずに)撮像または
フォーカシングにこのようなビームパターンを直接使用するのは、望ましくない
。さらに、このような大面積半導体レーザは、在来の光学レンズの使用を非実用
的なものにする大きい非点収差をも示す。したがって、光学素子を導入する前に
ビーム特性を変えることが望ましい。発明の概要
本発明は、各々がその表面から光のビームを放出すべく構成されている複数の
光源(例えば、半導体レーザダイオード)を具備する光学装置に向けられている
。複数の第1光ファイバは、各々が、放出された光のビームを受光できるように
、複数の光源のうちの1つの別々の光源の発光面に隣接する一端部を有している
。第1光ファイバの他端部は、すべての第1光ファイバからのビームの結合であ
る単一の光のビームを効果的に放出できるように、密な状態で一つに束ねられて
いる。第2光ファイバは、第1光ファイバの束から放出された光のビームを受光
できるように、第1光ファイバの他端部に隣接する端部を有している。第1光フ
ァ
イバの束ねられた他端部からの光のビームを第2光ファイバに向ける手段が設け
られている。第1光ファイバは、第2光ファイバに比べて開口数が小さい。
本発明は、添付した請求の範囲および図面に伴われた以下のより詳細な説明か
ら、より一層理解されよう。図面の簡単な説明
図1は、本発明による高出力半導体レーザ装置の概略図である。
図2は、本発明の装置に使用され得る半導体レーザダイオードおよび光ファイ
バの斜視図である。
図3は、図1の3−3線に沿う、光ファイバの束の断面図である。
図4は、本発明の装置に関する光ファイバの束および伝送ファイバ間の光学フ
ォーカシング装置の拡大概略図である。
図5は、半導体レーザダイオードおよび光ファイバ間の光結合器を示す概略側
面図である。
図6は、半導体レーザダイオードおよび光ファイバ間の光結合器の上部概略図
である。
図面は、必ずしも正確な縮尺ではない。詳細な説明
まず初めに図1を参照するに、本発明による高出力半導体レーザ装置10の概
略図が示されている。レーザ装置10は、光のビームを放出できる半導体レーザ
ダイオードなどの複数の発光素子14を搭載した支持体12と、複数の別々に分
かれた光ファイバ22と、レンズ26および28と、伝送用光ファイバ30とを
具備している。図示されているように、半導体レーザダイオード14は、2列に
配置されており、一の列に並んでいる半導体レーザダイオード14は、他の列の
半導体レーザダイオード14の間に位置している。各半導体レーザダイオード1
4は、支持体12上にマウントされているファイバーピグテールシェルフ(サブ
マウントアセンブリ)13上にマウントされている熱伝導ベース18にマウント
されている。複数の別々に分かれている光ファイバ22の各々は、それと結び付
いている半導体レーザダイオード14から放出される光のビームを受光するよう
に、1つの別々の半導体レーザダイオード14に隣接する一端部22aを有して
いる。各光ファイバ22の他端部22bは、密な状態で一つに固定されており、
光ファイバ22の束24を形成している。伝送光ファイバ30は、単一の光ファ
イバであり、束24からの結合された光ビームを受光するように、光ファイバ2
2の束24の端部に隣接する端部30aを有している。
次に、図2を参照するに、半導体レーザダイオード14のうちの一つと結び付
いている光ファイバ22を具備する、図1の装置10の一部のより詳細な拡大斜
視図が示されている。半導体レーザダイオード14は、熱伝導ベース18上にマ
ウントされたチップである。ベース18は、サブマウントアセンブリ13上にマ
ウントされている。別体のセラミックパッド(電気絶縁体)19であって、その
表面に別々に分かれた結合(導電性)パッド21を有するものが、各ベース18
上にマウントされている。一対の別々の電気リード線20が、各レーザダイオー
ド14をベース18のうちの一つのベースのパッド21に接続する。電源(不図
示)が、各レーザダイオード14に電力を供給するように、すべてのパッド21
に接続されている。好適な実施例では、ベース18およびサブマウントアセンブ
リは銅であり、支持体12はアルミニウムである。
半導体レーザダイオード14は、光ビームが放出される端面16を有している
。半導体レーザダイオード14は、公称波長980nmで光を放出するGaIn
As/GaAsストレインド層レーザダイオードであってよい。しかし、可視領
域から赤外線中間領域までの波長域で放出する他の周知のタイプの半導体レーザ
ダイオード14も使用可能である。とは言うものの、ストレインドGaInAs
半導体レーザダイオードは、高い破局的障害しきい値、高い動作温度、したがっ
て、より高い信頼性を有している。また、このような半導体レーザダイオードは
、Nd:YAG固定レーザの波長に非常に近い波長を有している。半導体レーザ
ダイ
オード14は、発光面16に約150〜200μmの発光開口を有している。
単一の光ファイバ22は、支持体12上にマウントされ、その一端部22aは
、半導体レーザダイオード14の発光面16に隣接しており、かつそれと整合さ
せられている。光ファイバ22は、約0.12〜0.14の低い開口数(NA)
を有する構成になっている。
図5および図6を参照するに、それらは、それぞれ、半導体レーザダイオード
14と光ファイバ22との間の結合器を示す側面図および上面図である。光ファ
イバ22は、クラッド25で覆われたコア23を有している。光ファイバ22は
、直径約240μmのシリカクラッド25で覆われた直径約200μmのシリカ
コア23であってよい。光結合器は、光ファイバ22の直径とほぼ同じ直径を有
する円筒形のレンズ32を具備している。レンズ32は、屈折率が高く光ファイ
バ22のNAよりもNAが高い標準延伸グラスファイバまたはロッドであってよ
い。レンズ32は、光ファィバ22の端部22aを横切る形で延在しており、光
ファイバ22の第1端部22aの端面に対して面一に取り付けられている平面部
34を有している。レンズ32は、レンズ32の屈折率と光ファイバ22の屈折
率との間の屈折率を有する透明エポキシなどの適切な接着剤から成る薄い層36
によって、光ファイバ22の端部22Aに固定されている。レンズ32は、半導
体レーザダイオード14の発光面16から放出される光を垂直方向に実質的にコ
リメートし、光を接着層36を通して光ファイバ22に案内する。レンズ32は
、水平方向の発光に全く影響を与えない。しかし、光ファイバ22の集光角に比
べて水平方向の放出角が小さいことから、水平方向の光は、主としてファイバ2
2に結合される。
レンズ32は、半導体レーザダイオード14からできる限り多くの光がファイ
バ22に結合されるように、半導体レーザダイオード14から所定の距離を置い
た位置に配置される。レンズ32の屈折率が大きいことから、レンズ32は、半
導体レーザダイオード14に非常に接近して配置され(通常、約25μm)、ユ
リメートされる方向のスポットサイズは小さい(例えば、約1μm)。このため
、半導体レーザダイオード14から垂直方向に放出される光ビームのほとんどが
、光ファイバ22のコアに結合される。
次に、図3を参照するに、図1の光ファイバ22の束24の断面図が示されて
いる。これらの光ファイバは、接触状態で配置され、適切なセメント25によっ
て一つに固定され、束24を形成している。束24内の光ファイバ22の数は、
適切な任意の数であってよい。しかし、7、19、31、37本等の光ファイバ
22が使用される場合、最小面積で最大出力が伝送される。
図4を参照するに、光ファイバ22の束24の、伝送光ファイバ30への光結
合の概略図を示している。束24の端部から放出される光のビームは、比較的大
きく、一対のレンズ26および28を具備するビーム縮小光学装置によって、伝
送光ファイバ30で受光されるべきサイズに縮小される。レンズ26および28
は、束24の端部と伝送光ファイバ30の端部30aの間に配置され、レンズ2
6は束24の端部に隣接し、レンズ28は伝送光ファイバ30の端部30aに隣
接している。レンズ26は、束24の端部から放出される光ビームをコリメート
するよう設計され、レンズ28は、コリメートされた光のビームを受光し、光ビ
ームを伝送光ファイバ30の直径に実質的に等しいスポットサイズに縮小するよ
う設計されている。伝送光ファイバ30は、医療手術用の標準ファイバ伝送装置
の一部であってよく、したがって、通常、束24の断面領域よりも小さいコアの
直径を有する。
一般に、伝送光ファイバ30に結合される光の損失を回避するために、レンズ
28のNAに等しいかそれを上回るように伝送光ファイバ30のNAが選択され
、レンズ26のNAに等しいかまたはそれを下回るように束24の個々のファイ
バ22のNAが選択される。「a」の係数だけスポットサイズを縮小させる必要
があると仮定した場合、レンズ26の開口数(NA)は、「a」で割ったレンズ
28のNAに等しい。すなわち、
NA(レンズ26)=(1/a)NA(レンズ28)
実際の場合、伝送光ファイバ30のNAは、ファイバ伝送装置によって固定さ
れている。例えば、接触手術では、このようなNAは、通常、0.37に等しい
。したがって、束24を形成する光ファイバ22のNAは、(1/a)×0.3
7でなければならない。この要件から、光ファイバ(したがって、半導体レーザ
ダイオード14)の数のみならず、束24の適切な光ファイバ22が選択され得
る。前記の通り、7、19、31、37本等の光ファイバ22は、最大の充填率
でパッケージ化されて束24を形成することができる。各光ファイバ22のコア
の直径が200μmでクラッドの直径が240μmであれば、束24の直径は、
31本のファイバから成る構造の場合、約1.510mmになる。したがって、
コアが600μmの伝送光ファイバ30に光を結合するためには、2.7の係数
のビーム縮小が必要になる。このため、束を形成する個々の光ファイバ22のN
Aは、(1/2.7)×0.37=0.137でなければならない。31本の光
ファイバ22と上記のビーム縮小光学素子とを有する装置は、25ワットの光出
力を600μmの0.37NA伝送ファイバ30に結合できる。目的達成のため
、31本の光ファイバ22のうちの1本の光ファイバが可視半導体レーザダイオ
ード14に使用されてもよい。
以上のように、本発明によれば、複数の半導体レーザダイオード14が、別々
の光ファイバ22に個々の光のビームを放出する光伝送装置10が提供される。
光ファイバ22は、すべての半導体レーザダイオード14からの結合された光に
等しい高出力光ビームを放出する束24に形成される。高出力の光ビームは、医
療手術用などの所望の用途に高出力の光ビームを伝送する単一の伝送ファイバ3
0へと向けられる。各半導体レーザダイオード14とそのそれぞれの光ファイバ
22との間および光ファイバ22の束24と伝送ファイバ30との間に高効率光
結合器が設けられ、もって、光に関する最適条件が装置10に沿って移送される
。また、光ファイバ22は、高出力の光を伝送できるように、伝送ファイバ30
の
開口数(NA)よりも小さいNAを有している。本発明の装置10によって製造
される医療手術装置の総結合効率は、通常同じタイプの在来の装置が約50%で
あるのに対して、80%である。また、半導体レーザダイオード14の各々は、
他の半導体レーザダイオードとは無関係に動作することから、半導体レーザダイ
オード14の一つが故障しても、他の動作または装置10の実質的な連続動作に
影響を与えずに、それを交換することができる。さらに、各半導体レーザダイオ
ード14は、他の半導体レーザダイオード14に加熱による問題を引き起こすこ
となく熱伝導ベース18を介して支持体12へと熱が分散されるように、他の半
導体レーザダイオードから充分に離隔されられている。
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DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
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,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
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B,HU,JP,KP,KR,KZ,LK,LU,LV
,MG,MN,MW,NL,NO,NZ,PL,PT,
RO,RU,SD,SE,SK,UA,UZ,VN
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.医療レーザの介在に使用可能な出力光ビームを発生する光学装置であって、 各光源が他の光源とは無関係に動作し、その表面から個別の光ビームを放出 するように構成されている、複数の光源(14)であって、それらのうちの少な くとも一つは、光学装置の出力光ビームを可視的に向ける場合に用いられる、可 視光スペクトル内の波長を有する光ビームを選択的に発生し、かつ残りの光源は 、医療レーザの介在に有用な所定範囲の波長内にある波長を有する光ビームを選 択的に発生する、ものと、 複数の第1光ファイバ(22)であって、前記第1の光ファイバの各々は、 複数の光源のうちの1つの別々の光源の表面に結合され、そこから放出される光 のビームを受光する一端部を有しており、第1光ファイバの他端部は、密な状態 で一つに束ねられ、すべての第1光ファイバからのビームの結合である単一の光 ビームを効果的に放出する、ものと、 第1光ファイバの束から放出される光のビームを受光し、それ以上の処理を 行わずに光学装置の出力光ビームとして光のビームを伝送するために、第1光フ ァイバの他端部に対して位置させられている端部を有する第2光ファイバ(30 )と、 第1光ファイバの束ねられた他端部から第2光ファイバへ光ビームを向ける 手段(26、28)と、 を具備し、 第1光ファイバは、第2光ファイバの開口数よりも小さい開口数を有する、 光学装置。 2.第1光ファイバが約0.12〜0.14の開口数を有する請求項1に記載の 光学装置。 3.光源の各々が半導体レーザダイオードである請求項2に記載の光学装置。 4.各レーザダイオードの発光面とそれぞれの第1光ファイバの一端部との間の 別体の光学手段(32)であって、レーザダイオードからの光ビームを第1光フ ァイバに導くためのものを更に具備する請求項3に記載の光学装置。 5.別体の光学手段が、第1光ファイバの端部を横切って延在しており、かつ第 1光ファイバの端部に配設される平坦な面を有する、別体の円筒形レンズを具備 する請求項4に記載の光学装置。 6.円筒形レンズをそれぞれの第1光ファイバに結合する手段(36)を更に具 備する請求項5に記載の光学装置。 7.円筒形レンズの開口数が第1光ファイバの開口数よりも大きい請求項5に記 載の光学装置。 8.第1光ファイバの束ねられた他端部から第2光ファイバに光ビームを向ける 手段がレンズ装置を具備する請求項1に記載の光学装置。 9.レンズ装置が、第1光ファィバの束ねられた端部と第2光ファイバとの間の 第1および第2レンズを具備する請求項8に記載の光学装置。 10.第1レンズ(26)が、第1光ファイバの束ねられた端部に隣接している と共に、第1光ファイバの束ねられた端部から放出される光のビームをコリメー トするように構成されており、かつ、第2レンズ(28)が、第1レンズからの コリメートされた光を受光すると共に光ビームを第2光ファイバの直径に実質的 に等しい直径まで縮小するよう構成されている請求項9に記載の光学装置。 11.第1レンズが第1光ファイバの開口数に等しいかまたはそれよりも大きい 開口数を有しており、かつ、第2レンズが第2光ファイバの開口数に等しいかま たはそれよりも小さい開口数を有している請求項10に記載の光学装置。
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