JPS61150394A - 半導体レ−ザ−光源装置 - Google Patents

半導体レ−ザ−光源装置

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JPS61150394A
JPS61150394A JP27834084A JP27834084A JPS61150394A JP S61150394 A JPS61150394 A JP S61150394A JP 27834084 A JP27834084 A JP 27834084A JP 27834084 A JP27834084 A JP 27834084A JP S61150394 A JPS61150394 A JP S61150394A
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JP
Japan
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semiconductor laser
lens
change
laser
coupling lens
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JP27834084A
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English (en)
Inventor
Yutaka Kaneko
豊 金子
Susumu Imakawa
今河 進
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) この発明は、半導体レーザー光源装置に関する。
(従来技術) 光読取装置や光プリンター、さらには光ピツクアップや
光通信装置のレーザー光源として、半導体レーザーが用
いられるようになってきている。
半導体レーザーから放射されるレーザー光は、周知の如
く発散性であるので、一般的に、半導体レーザーと他の
光学系とを光学的に結合させるためにカップリングレン
ズが用いられる。そのため、半導体レーザーを用いる光
源装置は、通常、半導体レーザーと、カンプリングレン
ズと、これら両者を位置決めして保持する保持部材とを
有する。
このように、半導体レーザーとカップリングレンズとは
、保持部材により、位置決めして保持されるため、正常
な状態では、半導体レーザーを発光させるとき、カンプ
リングレンズから射出するレーザー光束の波面形状は一
定している。
しかしながら、この波面形状の一定性を損う要因が2つ
ある。
その第1は、半導体レーザーの発振波長が、温度に応じ
て変化することである。カップリングレンズを構成する
硝材には、屈折率が波長に伴って変化するという分散性
があるので、レーザー光束の波長が変化するとカップリ
ングレンズの焦点距離が変化し、これが、波面形状を変
化させる原因となる。
第2は、温度変化によって、保持部材が膨張したシ収縮
したシする熱変形を生じ、これによって、半導体レーザ
ーとカップリングレンズの間の距離が変化し、これが波
面形状の変化の原因となる。
カップリングレンズから射出するレーザー光の波面が変
化すると、光読取装置や光ピツクアップ、光プリンター
では、走査面や光デイスク上でのレーザービームのスポ
ット径が変化するところとなシ、情報の読取シや、書き
込みに不全を生ずる。
また、光通信では、波面形状の変化そのものが、伝送さ
れるべき信号の劣化となる。
従来、このような波面形状の変化を防止する方法として
は、半導体レーザー自体の温度を一定に温度制御すると
ともに、保持部材を、線膨張係数の異なる2以上の材料
で複合的に構成し、温度変化による各材料の変形を相互
に相殺して、半導体レーザー、カップリングレンズ間の
距離が、温度変化に拘らず、実質的に変化しないように
する方法が知られている(特開昭59−15206号公
報)。
この方法は、半導体レーザーの温度を正確に制御するた
めに複雑な制御手段を必要とする点に問題がある。
(目  的) 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって
、その目的とするところは、半導体レーザーに対する正
確な温度制御を要せずして、カップリングレンズから射
出するレーザー光の波面形状が、温度変化に拘らず実質
的に同一となるような、半導体レーザー光源装置の提供
にある。
(構  成) 以下、本発明を説明する。
本発明の半導体レーザー光源装置は、光源たる半導体レ
ーザーと、カップリングレンズと、これら両者を位置決
めして保持する保持部材とを有する。
この半導体レーザー光源装置の設計条件として、使用温
度をTO1半導体レーザーの発振波長を、上記温度To
においてλ0、この波長λ0におけるカップリングレン
ズの焦点距離をfos上記温度Toにおける、半導体レ
ーザー、カップリングレンズ間の距離をLQとする。こ
の設計条件通シに動作しているときの、光源装置の状態
を、標準状態と称する。
標準状態から、温度がΔTだけ変化すると、半導体レー
ザーの発振波長はΔλだけ変化し、これに伴い、カップ
リングレンズの焦点距離は、硝材の分散性のためΔfだ
け変化する。一方、上記温度変化ΔTに伴う保持部材の
熱変形により、半導体レーザーとカップリングレンズと
の間の距離はΔLだけ変化する。
本発明の特徴とするところは、上記距離変動ΔLが、上
記焦点距離の変動Δfを実質的に相殺するようにした点
にある。
ΔLがΔfを実質的に相殺する、とは、必らずしもΔL
zΔfということではなく、焦点距離がΔfだけ変化す
ることに伴う光学的な状況変化と、距離がΔLだけ変化
することに伴う光学的な状況変化とが、互いに打消しあ
うという意味である。
このように、ΔL、Δfという変化にもとづく光学的状
況の変化が打ち消し合うので、カップリングレンズから
射出するレーザー光束の波面形状は温度変化に拘らず、
常に実質的に同一となる。
以下、図面を参照しながら説明する。
第1図は、本発明の1実施例である、平行レーザービー
ム用の、半導体レーザー光源装置を示している。図中、
符号10は半導体レーザー、符号12はカップリングレ
ンズとしてのコリメーターレンズを示す。
半導体レーザー10は、サブマウント14を介して、ヒ
ートシンク16に設けられ、射出窓28を有するキャッ
プ30内に密閉されている。なお、符号18は出力モニ
ター用の受光素子(フォトダイオード)を示す。
ヒート7ンク16は、支持体20の右方端部に固設され
ている。
一方、コリメーターレンズ12は、レンズセル24に、
レンズ押え26によって固定されている。レンズセル2
4は、支持体22に固装され、支持体22は支持体20
と、ねじによって一体的に固定されあっている。今、第
1図の如く、距離ん1. h2. h2をとると、コリ
メーターレンズ12と半導体レーザー10との間の距離
は、hx+h2−ん3と表される。これらの距離h1.
 A2.ん3を、標準状態における距離であるとすると
、ん1+ん2  h3=fo (foはコリメーターレ
ンズ12の標準状態における焦点距離)が成立ち、半導
体レーザー10を発光させれば、コリメーターレンズ1
2からは平行なレーザー光束PLが得られる。
温度が標準状態の温度から変化すると、んl、 A2゜
h3は、熱変形によシ変化し、半導体レーザー10と、
コリメーターレンズ12との間の距離は変動する。この
ことは、この実施例において、支持体20と22トヒー
トシンク16とが、保持部材を構成するこ七を意味する
さて、レンズの材料となる硝材は、分散性を示し、一般
に、その屈折率は、光の波長とともに変化する。第2図
は、屈折率と波長の関係の1例を示す図である。この図
に示すように、硝材の屈折率は、一般に、波長が大きく
なると、それに応じて小さくなる。もちろん、屈折率と
波長の関係は硝材によシ異なる。第2図に示す関係はラ
イトフリントガラスに関するものである。
さて、第1図の実施例において、支持体22の線膨張係
数をα11支持体20の線膨張係数をα2、ヒートシン
ク16のそれをα3としよう。今、標準状態の温度To
から、温度がΔTだけ上昇して、To+ΔTになった場
合を考えて見る。
この温度上昇によって、支持体22.20、ヒートシン
ク16は、いずれも熱変形(熱膨張である)して、それ
ぞれの変形量Δhx、Δhz、 Δh3は、α1h1Δ
T。
α2ん2ΔT、α3h3ΔTとなる。従って、保持部材
としての変形量は、(α1ん1+α2h2−α3h3)
ΔTであって、半導体レーザー10とコリメーターレン
ズ12どの間の距離は、これだけ変化する。
一方、温度変化ΔTに応じて、半導体レーザー1゜の発
振波長は、A0からΔλだけ変化し、これに応じて、コ
リメーターレンズ12の硝材の屈折率はΔnだけ変化す
る。この屈折率変化Δnは、Δfだけ、コリメーターレ
ンズ12の焦点距離を変化させる。
ΔnとΔfとの間には、よく知られたように分数率の関
係 が成立つ。ここにn(A0)は、波長λ0 に対する屈
折率である。従って、焦点距離の変化Δfは、(1)式
は と与えられる。従って、このΔfと、前述の、保持部材
の変形量とが等しいならば、すなわち、が成立つならば
、保持部材の熱による変形に伴うレンズ−光源間の距離
変化が、焦点距離の変化Δfを相殺することになり、コ
リメーターレンズ12からは温度の変動に拘らず常に平
行レーザー光束が射出することになり、射出レーザー光
束の波面は、常に平面形状を保つ。
(3)式において、K、β+ fo、 n(A0)等、
右辺を与える量は、半導体レーザーとカップリングレン
ズとを定めれば定まるから、この右辺とつりあうように
、保持部材の長さくんl+ h2+ h3 )や材質(
α1゜α2.α3)を選択すればよいのである。
第3図は、平行レーザービーム用光源の別実施例を示し
ている。繁雑を避けるべく、混同の虞れのないものにつ
いては第1図におけると同一の符号を用いた。半導体レ
ーザー10を有するヒート7ンク16は、支持体20A
の右端部に固設され、レンズ押え26Aによってコリメ
ーターレンズ12を固定されだレンズセル24Aは支持
体2OAの左方端部にねじによって固定されている。保
持部材は、この実施例では、ヒートシンク16、支持体
20A、レンズセル24Aで構成される。これらの線膨
張係数を、それぞれα3.α4.α5とする。すると、
標準状態においては、−ん3 + h4− hs = 
fo  が成立つ。標準状態における温度Toから温度
がΔTずれだ辷きにも、射出レーザー光束の波面形状を
平面に保つだめには、 を成立たせるようにすればよい。
第4図に示す実施例では、カップリングレンズ12が半
導体レーザー10と、光伝送用のファイバー50とを、
光学的に結合している。この実施例において、保持部材
はヒートシンク16A1支持体20B1 レンズセル2
4B (符号26Bはレンズ押エヲ示す)とで構成され
、ヒートシンク16Aの線膨張係数をα8、支持体20
Bの線膨張係数をα6、レンズセル26 Bのそれをα
7とすると、温度変化ΔTに伴う、カップリングレンズ
、半導体レーザー間の距離αの変化ΔLは、図中の距離
ん6+ h7.ん8を用いて、 ΔL=(α6h6 − α7h7 − α8ん8 ) 
ΔT(5)であり、焦点距離の変化Δfは、 この場合、カップリングレンズ12から射出する集束性
の光束の波面を、温度変化に拘らず、常に一定に保つに
は、カップリングレンズ12による角倍率を一定に保て
ばよく、標準状態でα=2foなら、 ΔL=2Δf(6) とすれば、ΔLによる光学的状況の変化とΔfによる光
学的状況の変化とが打消し合う。
一般に、保持部材が、m種の材料(線膨張係数がe1+
 ε2.・・・、εm)で構成され、カップリンブレで
与えられるものとする。ただし、2iは、保持部打金構
成するi番目の部材の長さく上記各実施例のhl等にあ
たる)であって、この部材がのびるときに、距離りが大
きくなる場合は正、Lが小さくなるときは負の値をとる
ものとする。そうすると、温度変化ΔTに伴う距離りの
変化は、 で与えられるので、このΔLによる光学的状況の変化が
、焦点距離変化Δfによる光学的状況の変化を打ち消す
ように、ΔLとΔfとを相殺させればよいのである。し
かし、ΔLとΔfを完全に相殺させることは、実際には
不可能であるので、この相殺は実質的な相殺をもってた
りるとし、波面形状を実質的に一定とするのである。
以下、具体的に説明する。
半導体レーザー光源装置を、第5図に示す如き光プリン
ターに光源装置として用いることを考えて見る。この光
プリンターにおいて、半導体レーザー10からの光は、
カップリングレンズとしてのコリメーターレンズ12に
よって平行レーザー光束となって、スキャナー100の
回転多面鏡100Aに入射し、反射されてfθレンズ1
02、平面鏡104.106を介して、ベルト状の光導
電性感光体上に到り、fθレンズ102の作用で感光体
表面にスポット状に集束する。モーター100Bで回転
多面鏡100Aを回転させると、スポットは、走査ライ
ンSL上を等速で移動して感光体108を走査する。画
像信号で、半導体レーザーを発光駆動しつつ、均一に帯
電させた感光体108を回転させれば、感光体108に
、画像信号に応じた静電潜像が形成される。なお、光走
査のドツト密度は1インチあたり400ドツトとする。
このとき、スポット径は80μ扉程度、ビームの深度は
2rrLrrL程度である。
このような光学系で、半導体レーザー10とコリメータ
ーレンズ12との間の間隔精度ΔXは、fθレンス10
2の焦点距離をfF、コリメーターレンズ12の焦点距
離foのときの縦倍率に略等しく、となり、fo = 
911Lm%  fp = 300 mmとすると、Δ
X ≦ 1.8μm となる。
従って、かかる条件の場合では、コリメーターレンズ1
2から射出するレーザー光束の波面が実質的に常に平面
となるようにするだめの条件は、1ΔL−Δf1≦1.
8 tt rn       (8)と考えられる。そ
こで、以下、この条件(8)町従って、具体例を説明す
る。従って、コリメーターレンズ12の焦点距離foは
9mmである。
さて、説明の具体性のだめに、半導体レーザー10は、
GCLl −Z dZA8 /GaAs系のものを考え
る。
この種の半導体レーザーでは、発振波長λ、温度Tの関
係は、理論的には、 で4えられる。んはブランク定数、Cは光速、E。
は禁制帯幅である。
第5図のプリンターにおける光源装置の温度変動の領域
は、使用環境と機内温度上昇とを考慮して、0℃〜50
℃と考えられる。そして、一般の設計条件における温度
’roを20℃とすると、温度変化ΔTの変動領域とし
ては±30℃を考えれば良い。
さて、半導体レーザー10の発振波長を20℃(TO)
を0.22 ”m/。とする。こhは、実験的に確認さ
れている。
一方、コリメーターレンズ12の硝材としてFD3Sを
考える。この硝材は波長780nmに対して、1.76
6045 (η、(λo))という屈折率を有し、78
0nrn近傍で、波長変化10nrnあたりの屈折率変
化は、−6,07X 10  である。
従って、これらの条件においてΔfを算出することがで
きる。ΔT=+30℃とすると、この温度変化に伴い、
半導体レーザー10の発振波長は、780nmから、7
87 nm (= 780 + 0.22 X 30 
)に変化する。
すなわち、Δλ=7nnL0この波長変化に対応する、
硝材の屈折率変化−Δnは、−6,07X10  Xi
  で算出される。
従って、温度変化ΔT=30℃による焦点距離の変化Δ
fは、 となる。してみると、条件(8)式を満足するΔLは、
5−1.8(μm)≦ΔL≦5 + t、8(μm) 
  (9)であることKなる。
ここで、第1図の実施例を考えてみる。
ヒートシンク16の材料として、線膨張係数α3 = 
16.7 X 10   の銅を用い、長さh3=2.
5朋tする。また支持体20の材料として、線膨張係数
α2 = 20 X 10   のアルミダイキャスト
ADC12を用いん2 = 4 mmとする。さらに、
支持体22の材料として、線膨張係数α、 = 20 
X 10 ’  のアルミダイキャストADC12を用
い、hl = 7.5mrrLとする。
ん1 +A2−h3 =9mmである。
このとき、ΔT=+30℃に対し、半導体レーザー10
とコリメーターレンズ12との間の距離の変化ΔLは、
(んlα1+A2α2−h3α3)×ΔT = 5.6
μm  となシ、上記条件(8)K適合する。
さらに、ん1+ h2+ h3を上記寸法とし、ヒート
シンクの材料として銅、支持体20の材料として、AA
203セラミック(線膨張係数7.I X 10 ’)
 、支持体22の材料として、A3056 (線膨張係
数24.I X10’)を用いると、ΔLは、ΔT=+
30℃に対し5.0μmとなシ、条件(8)に、さらに
良く適合する。
次に、コリメーターレンズ12の硝材として、BK7を
用いて見る。この硝材BK7は波長780nmに対し、
1.511175なる屈折率を有し、ΔT=+30℃に
対して焦点距離の変化はΔf = 2.5μmである。
ヒートシンク16の材料を銅、h3 = 2.5nLW
L 、支持体20の材料として炭素鋼(線膨張係数11
XIO’)を用いん2=5mm1支持体22の材料とし
て同じく炭素鋼を用い、ん1 = 5.5mmとすると
、ΔI、 = 2.5μmとなシ、この場合の条件(条
件(8)で、Δf = 2.5μmとしたもの) 2.5− t、s (μrrL)≦ΔL≦2.5 + 
1.8 (ltm)   (10)に良く適合する。
次に、硝材として上記BK7を用い、光源装置として第
3図に示すものをと9あげて見る。寸法h3h4 + 
 h、、として、ん3=2.5mm、  h4 = 2
0mrrL。
h5 ”” 8.5 mmを設定し、ヒートシンク16
の材料として銅、支持体2OAの材料として5US(1
8〜8)(線膨張係数16.4X10−6) 、レンズ
セル24Aの材料としてA3056 (線膨張係数24
.I X 10 ’ )を用いると、ΔT = +30
℃に対しΔL = 2.4μmとなって、やはり、条件
式(1のに良く適合する。
(効 果) 以上、本発明によれば、新規な半導体レーザー光源装置
を提供できる。この装置では、温度変化によるカップリ
ングレンズの焦点距離の変化が、半導体レーザー、カッ
プリングレンズ間の距離の変化により、実質的に相殺さ
れるので、カップリングレンズから射出するレーザー光
束の波面形状を常に実質的に同一にすることができる。
なお、カップリンスレンズとして、集束性光伝送体(商
品名セルフォック)によるレンズを用いる場合にも、本
発明は勿論適用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の1実施例を説明するための図、第2
図は、カップリングレンズ硝材の分散性を説明するため
の図、第3図は、本発明の別実施例を説明するだめの図
、第4図は、本発明の他の実施例を説明するための図、
第5図は、半導体レーザー光源装置を有する光プリンタ
ーの1例を示す斜視図である。 10  ・半導体レーザー、12・・カンプリングレン
ズ、16・・・ヒートシンク、20.22・・支持体(
ヒート7ンク16とともに保持部材を構成する)、24
・・・レンズセル

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザーと、この半導体レーザーからの発散性の
    レーザー光束をカップリングするカップリングレンズと
    、これら半導体レーザーとカップリングレンズとを位置
    決めして保持する保持部材とを有し、 標準状態からの温度変化に伴う上記保持部材の熱変形に
    よる、半導体レーザー、カップリングレンズ間の距離の
    変化が、上記温度変化に伴う半導体レーザーの発振波長
    の変化によるカップリングレンズの焦点距離変化を実質
    的に相殺するようにし、 上記温度変化に拘らず、上記カップリングレンズから射
    出するレーザー光束の波面形状が常に実質的に同一とな
    るようにしたことを特徴とする、半導体レーザー光源装
    置。
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