JPWO2017212561A1

JPWO2017212561A1 - レーザ光源装置

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Publication number: JPWO2017212561A1
Application number: JP2018522214A
Authority: JP
Inventors: 俊輔村松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: EP3471222A1; CN109219909A; EP3471222A4; WO2017212561A1; JP6602472B2; US20190157838A1; CA3020254A1

Abstract

安定して動作し、所望の波長のレーザ光を安定して出射し、さらに従来よりも低消費電力なレーザ光源装置の提供を目的とする。本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の一面側に設けられる放熱部と、熱伝導特性を有し、半導体レーザ素子の一面と放熱部とに接触して設けられ、半導体レーザ素子にて発生する熱を放熱部に伝える熱伝導部と、レーザ光の波長を測定する波長測定部と、波長測定部によって測定されるレーザ光の波長に基づき、熱伝導部の熱伝導特性を変化させて、レーザ光の波長を所定の波長範囲内に制御する熱伝導特性制御部とを備える。

Description

本発明は、レーザ光源装置に関し、特に波長を安定的に制御する技術に関する。

半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長は、半導体レーザ素子の温度により変化する。そのため、半導体レーザ素子を映像機器の光源として使用する従来のレーザ光源装置は、所望の波長を得るために波長制御部を備える。その波長制御部は、例えば、ペルチェ素子等の熱電冷却器（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ：ＴＥＣ）による温度制御部およびレーザ光の波長を測定する波長測定部を含む（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２０１２−１２４２８７号公報

山本翔太、「半導体レーザの波長安定化システム」、［Ｏｎｌｉｎｅ］、平成１９年３月、高知工科大学、［平成２８年５月２５日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｃｈｉ−ｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｌｉｂｒａｒｙ／ｒｏｎ／２００６／２００６ｅｌｅ／１０７０３４７．ｐｄｆ）

ＴＥＣによる温度制御では、半導体レーザ素子の温度を測定するため熱電対や測温抵抗体等の温度センサが用いられる。しかし、この温度センサが温度測定部から脱落するもしくは温度センサ自身が故障すると、正常な温度制御が行われないという問題があった。また、ＴＥＣを使用する温度制御方式では、ＴＥＣおよびＴＥＣ周辺部分の温度を目標温度まで変化させることが必要であり、温度制御に係る熱容量が大きく波長制御の応答性が悪い。更に、ＴＥＣを使用する温度制御方式では、温度制御中は常時電力を消費し続けるため消費電力が大きくなるという問題もあった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、安定して動作し、所定の波長のレーザ光を安定して出射し、さらに従来よりも低消費電力なレーザ光源装置の提供を目的とする。

本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の一面側に設けられる放熱部と、熱伝導特性を有し、半導体レーザ素子の一面と放熱部とに接触して設けられ、半導体レーザ素子にて発生する熱を放熱部に伝える熱伝導部と、レーザ光の波長を測定する波長測定部と、波長測定部によって測定されるレーザ光の波長に基づき、熱伝導部の熱伝導特性を変化させて、レーザ光の波長を所定の波長範囲内に制御する熱伝導特性制御部とを備える。

本発明に係るレーザ光源装置によれば、安定して動作し、所定の波長のレーザ光を安定して出射し、さらに従来よりも低消費電力なレーザ光源装置の提供が可能となる。

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白になる。

実施の形態におけるレーザ光源装置の構成を示す図である。実施の形態におけるレーザ光源装置のブロック図である。実施の形態における処理回路を示す図である。実施の形態における処理回路の構成を示す図である。実施の形態における応力制御による熱伝導部の状態を示す図である。実施の形態における熱伝導特性制御による波長制御動作を示すフローチャートである。実施の形態における応力制御動作を示すフローチャートである。

本発明に係るレーザ光源装置の実施の形態を説明する。

（レーザ光源装置の構成）
図１は、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００の構成を示す図である。レーザ光源装置１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１の一面１ａ側に設けられ半導体レーザ素子１から発生する熱を放熱する放熱部２とを備える。放熱部２は、例えばヒートシンクである。また、放熱部２は、例えば、空冷ファン、水冷機構等の冷却装置（図示せず）を含んでも良い。本実施の形態のレーザ光源装置１００は、放熱部２に冷却装置を含む。

またレーザ光源装置１００は、半導体レーザ素子１の一面１ａと放熱部２との両方に接触し、その一面１ａと放熱部２とに挟持される熱伝導部３をさらに備える。熱伝導部３は、高熱伝導特性を有し、半導体レーザ素子１にて発生する熱を放熱部２に伝える機能を有する。熱伝導部３は、例えば炭素繊維材料を含む。また、熱伝導部３は、半導体レーザ素子１を放熱部２に固定する。また、本実施の形態において、熱伝導部３は弾性を有する。

レーザ光源装置１００は、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光９の波長を測定する波長測定装置４をさらに備える。波長測定装置４は、例えば分光器やスペクトラムアナライザ等である。

また、レーザ光源装置１００は、半導体レーザ素子１の一面１ａと対向する他面１ｂ側に応力付与装置５をさらに備える。応力付与装置５は、半導体レーザ素子１を他面１ｂ側から放熱部２の方向に圧接して、熱伝導部３に応力を付与する。すなわち応力付与装置５は、半導体レーザ素子１と放熱部２とにより挟持する方向の圧縮応力を熱伝導部３に付与する。応力付与装置５は、例えば内部に含まれる液体や気体の膨張もしくは収縮によって外部に応力を加えることが可能な圧縮応力付与装置であり、例えば油圧シリンダーやエアシリンダーである。応力付与装置５は、例えば、回転駆動可能なねじ機構を有する圧縮応力付与装置であっても良いし、バネ機構を有する圧縮応力付与装置であっても良い。なお、本実施の形態において、応力付与装置５は半導体レーザ素子１の一面１ａと対向する他面１ｂ側に設けられるが、半導体レーザ素子１の側面を支持して設けられても良い。その場合、応力付与装置５が支持する側面は、レーザ光９が出射する出射面およびその出射面と対向する端面とは異なる側面である。

また、レーザ光源装置１００は、半導体レーザ素子１の温度を測定する温度センサ６と、半導体レーザ素子１に電流を供給する電流供給部７と、制御部１０とをさらに備える。制御部１０は、ユーザーが所望する強度のレーザ光９が出力されるよう電流供給部７を制御する。また、半導体レーザ素子１で発生する熱は熱伝導部３を介して放熱部２に伝わる。制御部１０は、温度センサ６で測定される半導体レーザ素子１の温度が規定の温度範囲内に収まるよう放熱部２の冷却装置の動作を制御する。半導体レーザ素子１の温度は、後述する熱伝導特性制御装置１３によっても制御されるが、熱伝導特性制御装置１３は、冷却装置によって温度制御される規定の温度範囲内で半導体レーザ素子１の温度を変化させてレーザ光９の波長制御を行う。詳細は後述する。

図２はレーザ光源装置１００が行う熱伝導特性制御による波長制御に関係する各部のブロック図である。レーザ光源装置１００は波長判定部１１と応力制御部１２とを含む。本実施の形態においては、波長判定部１１および応力制御部１２は制御部１０に含まれる。また本実施の形態のレーザ光源装置１００が備える熱伝導特性制御装置１３は、上記の応力付与装置５と応力制御部１２とを含む。波長判定部１１は、波長測定装置４によって測定されるレーザ光９の測定波長が所定の波長範囲内か、または、測定波長が後述する熱伝導特性制御動作によって制御できる波長範囲内かを判定する。応力制御部１２は、波長測定装置４が測定する測定波長とユーザーが所望する目標波長との差分に基づき応力付与装置５が熱伝導部３に付与する応力の大きさを算出し、その算出した応力を応力付与装置５に設定する。応力付与装置５はその設定応力を半導体レーザ素子１に付与する。その結果、熱伝導部３と半導体レーザ素子１との界面における熱抵抗または熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗が変化し、半導体レーザ素子１の温度が変化する。その温度変化により、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光９の波長が変化する。上記の応力付与装置５と応力制御部１２とは熱伝導特性制御装置１３の一例ではあるが、熱伝導特性制御装置１３は、波長測定装置４によって測定されるレーザ光９の波長に基づき、熱伝導部３の熱伝導特性を変化させて、レーザ光９の波長を所定の波長範囲内に制御する。より詳細な熱伝導特性制御による波長制御動作は後述する。

図３はレーザ光源装置１００が備える処理回路１４を示す。処理回路１４は波長判定部１１および応力制御部１２の各機能を実現する。すなわち、レーザ光源装置１００は、波長判定部１１が測定波長を判定し、応力制御部１２がその測定波長に基づいて応力付与装置５が熱伝導部３に付与する応力を算出し、その算出した応力を応力付与装置５に設定するための処理回路１４を含む。処理回路１４が専用のハードウェアである場合、処理回路１４は、例えば、プログラム化したプロセッサーや並列プログラム化したプロセッサーである。処理回路１４は、波長判定部１１および応力制御部１２の各機能に対応した複数の専用ハードウェアを備えることで各部の各動作を実現しても良いし、１つの専用ハードウェアを備えることで各動作をまとめて実現しても良い。また、処理回路１４は、図４に示すように、互いが接続されたＣＰＵ１５とメモリ１６とを含み、そのＣＰＵ１５がメモリ１６に格納されるプログラムを実行する機能を有していても良い。その場合、波長判定部１１および応力制御部１２の各機能はプログラムとして記述され、そのプログラムはソフトウェアまたはファームウェアとしてメモリ１６に格納される。処理回路１４は、メモリ１６に記憶されたそのプログラムを読み出してＣＰＵ１５で実行する。これにより、波長判定部１１および応力制御部１２の各動作が実現される。なお、メモリ１６とは、例えば、ＲＡＭやフラッシュメモリ等の揮発性または不揮発性の半導体メモリである。また、レーザ光源装置１００は、波長判定部１１および応力制御部１２の各機能および各動作について、その一部を専用ハードウェアで実現し、その一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現しても良い。

（熱伝導特性制御による波長制御動作）
本実施の形態のレーザ光源装置１００は、波長測定装置４が測定したレーザ光９の測定波長に基づき、熱伝導特性制御装置１３が熱伝導部３の熱伝導特性を変化させて、レーザ光の波長を所定の波長範囲内に制御する。その熱伝導特性制御装置１３が変化させる熱伝導部３の熱伝導特性は、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面における熱抵抗、または、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗である。

応力付与装置５が、半導体レーザ素子１を他面１ｂ側から放熱部２の方向へ圧縮応力を加えた場合を説明する。熱伝導部３は、その圧縮応力により弾性変形し、ポアソン効果によって半導体レーザ素子１と放熱部２との間で薄く延ばされる。図５（ａ）は、応力付与装置５が応力を付与する前の熱伝導部３の状態を示し、図５（ｂ）は応力付与装置５が応力を付与した後の熱伝導部３の状態を示す。応力付与装置５が応力を付与した後は、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面において、互いの接触面積が増加する。同様に、熱伝導部３と放熱部２との界面においても互いの接触面積が増加する。その結果、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面における熱抵抗、または、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗が下がる。すなわち、半導体レーザ素子１から熱伝導部３を介して放熱部２への排熱効率が向上し、半導体レーザ素子１の温度が低下する。その結果、半導体レーザ素子１の発振波長すなわち出射するレーザ光９の波長が変化する。本実施の形態では、レーザ光９の波長は短波長側にシフトする。

一方で、応力付与装置５が半導体レーザ素子１に加える圧縮応力を減らした場合、熱伝導部３は弾性変形し、厚さは厚く接触面積は小さくなる。つまり、熱伝導部３は、図５（ｂ）に示す状態から図５（ａ）に示す状態に戻る。よって、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面において、互いの接触面積が減少する。同様に、熱伝導部３と放熱部２との界面においても互いの接触面積が減少する。その結果、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面における熱抵抗、または、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗が上昇する。すなわち、半導体レーザ素子１から熱伝導部３を介して放熱部２への排熱効率が低下し、半導体レーザ素子１の温度が上昇する。その結果、半導体レーザ素子１の発振波長すなわち出射するレーザ光９の波長が変化する。本実施の形態では、レーザ光９の波長は長波長側にシフトする。

以上のように、応力付与装置５が付与する圧縮応力の変化によって熱抵抗が変化する。そして、熱抵抗が変化することで半導体レーザ素子１の温度が変化する。さらに、半導体レーザ素子１の温度変化によってレーザ光９の波長が変化する。応力付与装置５を含む熱伝導特性制御装置１３は、レーザ光９の波長を応答性よく制御することが出来る。

（熱伝導特性制御による波長制御方法）
図６および図７は、レーザ光源装置１００の熱伝導特性制御による波長制御方法を示すフローチャートである。図２のブロック図と、図６および図７のフローチャートとに従い、レーザ光源装置１００の波長制御方法を説明する。

まず、レーザ光源装置１００の制御部１０は、初期データを読み込む（ステップＳ１０）。初期データは、ユーザーが所望するレーザ光９の目標波長と、目標波長に対する許容波長範囲と、熱伝導特性制御装置１３が有する制御可能範囲とを含む。目標波長および許容波長範囲は、例えばユーザーによって入力される値を読み込む。制御可能範囲は、例えば予めメモリ１６に格納しておいた値を読み込んでも良いし、例えば予めプログラムの中に制御可能範囲を記述しておけばステップＳ１０における読み込み動作を省略することが可能である。また、制御部１０は、半導体レーザ素子１が所望の強度のレーザ光９を出射するよう電流供給部７を制御して半導体レーザ素子１に供給する電流を制御する。これにより、半導体レーザ素子１よりレーザ光９が出射される。

波長測定装置４は、半導体レーザ素子１より出射されるレーザ光９の波長を測定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０で測定された測定波長は波長判定部１１に入力される。波長判定部１１は、測定波長がステップＳ１０で取得した目標波長に対する許容波長範囲内か判定する（ステップＳ３０）。測定波長が許容波長範囲内である場合、すなわちステップＳ３０で判定結果がＹＥＳである場合、制御部１０は制御完了を出力し制御を完了する（ステップＳ８０）。

測定波長が許容波長範囲から外れている場合、すなわちステップＳ３０で判定結果がＮＯである場合、波長判定部１１はステップＳ１０で取得した目標波長と、測定波長との波長差を算出する（ステップＳ４０）。波長判定部１１は、その波長差がステップＳ１０で取得した制御可能範囲内か判定する（ステップＳ５０）。つまり、本実施の形態においては、応力付与装置５が付与する圧縮応力の変更で制御可能な波長差であるか判定する。波長差が制御可能範囲から外れている場合、すなわちステップＳ５０でＮＯである場合、制御部１０は制御範囲外エラーを出力し制御を完了する（ステップＳ７０）。

波長差が制御可能範囲内である場合、すなわちステップＳ５０でＹＥＳである場合、熱伝導特性制御装置１３は、熱伝導部３の熱伝導特性制御を行う（ステップＳ６０）。その熱伝導特性制御について図７を用いて説明する。まず応力制御部１２は、応力制御のための初期データを読み込む（ステップＳ６１）。応力制御のための初期データとは、応力付与装置５が半導体レーザ素子１に付与する応力の大きさと、それによるレーザ光９の波長変化の大きさとの関係を含むデータであり、例えば、所定のテーブルや所定の計算式を含む。また、それらデータは例えばメモリ１６に格納しておき、ステップＳ６１にて応力制御部１２がそれらを読み込む。応力制御部１２は、ステップＳ４０で算出した波長差とステップＳ６１にて取得したデータに基づいて、半導体レーザ素子１に付与する応力を算出する（ステップＳ６２）。応力制御部１２は、ステップＳ６２で算出した応力を応力付与装置５に設定し、応力付与装置５はその設定された応力で半導体レーザ素子１に圧縮応力を付与する（ステップＳ６３）。前述したとおり、応力付与装置５が付与する応力により、熱伝導部３が弾性変形し、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面における熱抵抗、または、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗が変化する。その結果、半導体レーザ素子１の温度が変化し、それに伴いレーザ光９の波長も変化する。ステップＳ６３の後、レーザ光源装置１００は、再びステップＳ２０の処理に戻り、上記の一連の処理を行うことで目標の波長に制御する。すなわちレーザ光源装置１００は、上記のフィードバック制御を繰り返す。また、２回目以降の熱伝導特性制御において、ステップＳ６１は省略しても良い。

（効果）
以上をまとめると、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００は、レーザ光９を出射する半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１の一面１ａ側に設けられる放熱部２と、熱伝導特性を有し、半導体レーザ素子１の一面１ａと放熱部２とに接触して設けられ、半導体レーザ素子１にて発生する熱を放熱部２に伝える熱伝導部３と、レーザ光９の波長を測定する波長測定装置４と、波長測定装置４によって測定されるレーザ光９の波長に基づき、熱伝導部３の熱伝導特性を変化させて、レーザ光９の波長を所定の波長範囲内に制御する熱伝導特性制御装置１３とを備える。以上のような構成により、レーザ光源装置１００は、安定して動作でき、ユーザーが所望する波長のレーザ光を安定して出射できる。また、レーザ光源装置１００は、従来のレーザ光源装置よりも消費電力を低く抑えることができる。また、レーザ光源装置１００は、温度に基づいた波長制御ではなく、実際に出射されるレーザ光９の波長に基づいた波長制御を行うため、温度測定不良による半導体レーザ素子１の温度制御異常さらには波長制御異常の発生頻度を低減できる。

また、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００の熱伝導部３は、半導体レーザ素子１と放熱部２とに挟持されて設けられ、熱伝導特性制御装置１３は、半導体レーザ素子１と放熱部２とによる挟持方向の応力を熱伝導部３に付与する応力付与装置５と、波長測定装置４によって測定されるレーザ光９の波長に基づき、応力付与装置５が付与する応力の大きさを制御する応力制御部１２とを含み、熱伝導特性制御装置１３が変化させる熱伝導部３の熱伝導特性は、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面における熱抵抗、または、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗である。以上のような構成により、レーザ光源装置１００は、応力付与装置５が熱伝導部３に付与する圧縮応力の変化に応じて上記の熱抵抗を変化させることができるため、従来のレーザ光源装置よりも波長制御の応答性を早くすることができる。また、レーザ光源装置１００は、応力付与装置５が応力を変化させる時を除いて、レーザ光９の波長制御のための電力消費を低減することができ省電力化が可能となる。

また、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００の応力付与装置５は、一面１ａと対向する半導体レーザ素子１の他面１ｂ側に設けられ、他面１ｂ側から半導体レーザ素子１を、熱伝導部３を介して放熱部２に押し付けて応力を付与する。以上のような構成により、レーザ光源装置１００の応力付与装置５は、容易に熱伝導部３に応力を加えることができる。特に図１のように、端面出射型の半導体レーザ素子１が放熱部２に実装された構成である場合、レーザ光源装置１００は、レーザ光９の出射面を塞ぐことなく熱伝導部３に応力を付与することができる。

また、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００の熱伝導部３は、炭素繊維を含む。以上のような構成により、レーザ光源装置１００は半導体レーザ素子１にて発生する熱を効率よく放熱部２に伝えることができる。

また、本実施の形態におけるレーザ光源装置１００の熱伝導部３は、応力によって弾性変形する弾性体である。以上のような構成により、レーザ光源装置１００は、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との接触面積を可逆的にかつ迅速に変化させることができ、その結果、半導体レーザ素子１の一面１ａと熱伝導部３との界面の熱抵抗を可逆的にかつ迅速に変化させることができる。また、同様に、レーザ光源装置１００は、熱伝導部３と放熱部２との接触面積を可逆的に迅速に変化させることができ、その結果、熱伝導部３と放熱部２との界面における熱抵抗を可逆的にかつ迅速に変化でさせることができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

以上、本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１半導体レーザ素子、１ａ一面、１ｂ他面、２放熱部、３熱伝導部、４波長測定装置、５応力付与装置、９レーザ光、１１波長判定部、１２応力制御部、１３熱伝導特性制御装置、１００レーザ光源装置。

Claims

レーザ光（９）を出射する半導体レーザ素子（１）と、
前記半導体レーザ素子（１）の一面（１ａ）側に設けられる放熱部（２）と、
熱伝導特性を有し、前記半導体レーザ素子（１）の前記一面（１ａ）と前記放熱部（２）とに接触して設けられ、前記半導体レーザ素子（１）にて発生する熱を前記放熱部（２）に伝える熱伝導部（３）と、
前記レーザ光（９）の波長を測定する波長測定部（４）と、
前記波長測定部（４）によって測定される前記レーザ光（９）の波長に基づき、前記熱伝導部（３）の前記熱伝導特性を変化させて、前記レーザ光（９）の波長を所定の波長範囲内に制御する熱伝導特性制御部（１３）とを備えることを特徴とするレーザ光源装置。
前記熱伝導部（３）は、前記半導体レーザ素子（１）と前記放熱部（２）とに挟持されて設けられ、
前記熱伝導特性制御部（１３）は、
前記半導体レーザ素子（１）と前記放熱部（２）とによる挟持方向の応力を前記熱伝導部（３）に付与する応力付与部（５）と、
前記波長測定部（４）によって測定される前記レーザ光（９）の波長に基づき、前記応力付与部（５）が付与する前記応力を制御する応力制御部（１２）とを含み、
前記熱伝導特性制御部（１３）が変化させる前記熱伝導部（３）の前記熱伝導特性は、前記半導体レーザ素子（１）の前記一面（１ａ）と前記熱伝導部（３）との界面における熱抵抗、または、前記熱伝導部（３）と前記放熱部（２）との界面における熱抵抗である請求項１に記載のレーザ光源装置。
前記応力付与部（５）は、前記一面（１ａ）と対向する前記半導体レーザ素子（１）の他面（１ｂ）側に設けられ、前記他面（１ｂ）側から前記半導体レーザ素子（１）を、前記熱伝導部（３）を介して前記放熱部（２）に押し付けて前記応力を付与する請求項２に記載のレーザ光源装置。
前記熱伝導部（３）は、炭素繊維を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光源装置。
前記熱伝導部（３）は、前記応力によって弾性変形する弾性体である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ光源装置。