KR100909819B1

KR100909819B1 - 레이저장치

Info

Publication number: KR100909819B1
Application number: KR1020060048904A
Authority: KR
Inventors: 카즈히코 나가노; 요지 오카자키; 테루히코 쿠라마치; 후사오 야마나카
Original assignee: 후지필름 가부시키가이샤
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2009-07-28
Also published as: KR20060071378A; CN1497286A; CN1262860C; JP4274409B2; US20040096159A1; KR20060071379A; KR100622934B1; KR100903982B1; JP2004128058A; US7101094B2; KR20040028532A

Abstract

복수의 반도체 레이저소자와, 멀티모드 광섬유와, 복수의 반도체 레이저 소자로부터 각각 출사된 레이저빔을 집광하여 멀티모드 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저장치에 있어서, 저비용으로 높은 출력과 신뢰성을 얻는 것을 과제로 한다.

구리 또는 구리합금으로부터 이루어지는 히트블록(방열블록)(10)상에 배열 고정된 7개의 칩상태의 횡싱글모드 싱글캐비티 GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)와, 콜리메이터렌즈(11)와, 집광렌즈(12)와, 1개의 멀티모드 광섬유(13)와, 멀티모드 광섬유(13)로 이루어지는 레이저장치의 광섬유의 출사단에 직육면체의 유리(14)가 융착되어 있다.

레이저장치, 광섬유, 집광광학계, 반도체

Description

레이저장치{LASER DEVICE}

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 레이저장치를 나타내는 개략구성도이다.

도 2는 제1실시형태에 의한 레이저장치의 실장형태를 나타내는 평면도이다.

도 3은 제1실시형태에 의한 레이저장치의 실장형태를 나타내는 측면도이다.

도 4는 제1실시형태에 있어서의 광섬유의 출사단과 유리의 다른 접착형태를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2실시형태에 의한 레이저장치에 있어서의 보호수단을 나타내는 측면도이다.

도 6은 본 발명의 제3실시형태에 의한 레이저장치에 있어서의 보호수단을 나타내는 평면도이다.

도 7은 본 발명의 제4실시형태에 의한 레이저장치를 나타내는 사시도이다.

(부호의 설명)

LD1∼LD8: GaN계 반도체 레이저 소자 B,B1∼B8: 레이저빔

11: 마이크로렌즈 어레이 12: 집광렌즈

13: 멀티모드 광섬유 13a: 코어층

13b: 클래드층

13',23': 수지피복된 멀티모드 광섬유

14: 유리 14a: 출사단면

15,16: 금속층 17: 핸더

18: 단면코트 20,30,40: 패키지

21,31: 창유리 22: 덮개

23: 출사단이 메탈라이징처리된 멀티모드 광섬유 24,34: 홀더

32a: 급기구 32b: 배기구

35: 필터 36: 펌프

37: 밸브 38: 봄베

본 발명은 레이저장치에 관한 것으로, 특히, 복수의 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 집광광학계에 의해 광섬유에 합파하는 레이저장치에 관한 것이다.

현재, 자외영역의 레이저빔을 발생시키는 장치로서, 반도체 레이저 여기 고체레이저로부터 출사된 자외광을 자외영역의 제3고조파로 변환하는 파장변환 레이저나, 엑시머 레이저나, Ar레이저가 실용에 제공되고 있다. 한편, 400nm근방의 파장의 레이저빔을 출사하는 GaN계반도체 레이저 소자도 제공되고 있다.

이러한 파장의 레이저빔을 출사하는 광원은, 350∼420nm의 자외영역을 포함 한 소정의 파장영역(이하 「자외영역」이라고 한다)에 감도를 갖는 감광재료를 노광하는 노광장치에 있어서, 노광용 광원으로서 적용하는 것도 고려되고 있다. 그 경우의 노광용 광원은 당연히 감광재료를 감광시키는데에 충분한 출력을 갖추는 것이 요구되고 있다.

그러나 상기 엑시머 레이저는 장치가 대형이며, 가격이나 보수관리비용이 높다고 하는 문제가 있다.

또, 적외광을 자외영역의 제3고조파로 변환하는 파장변환 레이저는, 파장변환 효율이 매우 낮으므로, 고출력을 얻는 것은 매우 곤란하게 되어 있다. 그리고 이러한 파장변환 레이저는 고가인 광파장변환 소자를 사용하기 때문에, 가격이 상당히 높은 것으로 되어 있다.

또 Ar레이저는 전기-광 효율이 0.005%로 매우 낮고, 수명이 1000시간정도로 매우 낮다라는 문제가 있다.

한편, GaN계 반도체 레이저에 대해서는, 저전위의 GaN 결정기판이 얻어지지 않으므로, ELOG라는 성장방법에 의해 약 5㎛정도의 저전위영역을 만들어 내고, 그 위에 레이저영역을 형성해서 고출력화와 고신뢰성을 실현하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 이렇게 해서 제작되는 GaN계 반도체 레이저에 있어서도 대면적에 걸쳐서 저전위의 기판을 얻는 것이 어려우므로, 500mW∼1W급의 고출력의 것은 아직 상품화되어 있지 않다.

그래서, 복수의 반도체 레이저 소자와, 1개의 멀티모드 광섬유와, 복수의 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 멀티모드 광섬유에 합파하는, 고출력화 가 가능한 합파 레이저광원이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌1참조).

그러나, 이러한 합파 레이저광원에 있어서, 밀폐용기내에 잔존하는 오염물질이 반도체 레이저 소자의 출사단면, 렌즈 및 광섬유 등의 광학부품에 부착해서 레이저특성을 열화시킨다고 하는 문제가 있다. 오염물질의 하나로서는, 제조공정의 분위기중에서 혼입하는 탄화수소화합물 등을 들 수 있고, 이 탄화수소가 레이저광에 의해 중합 혹은 분해되어서 분해물이 부착하여 출력의 향상을 방해하는 것이 알려져 있다.

또, 공중을 부유하고 있는 저분자 실록산이 자외선에 의한 광화학반응으로 산소와 반응하여, 광학유리창부품에 SiOx의 형태로 퇴적, 부착하는 것이 개시되어 있고, 이 때문에, 대기와 접하는 「창」부재의 정기적인 교환을 해야하는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌2참조).

그래서, 오염물질의 부착 등의 문제를 해결하기 위해서, 탄화수소화합물 등을 분해하는 것을 목적으로 한 산소를 1OOppm이상 밀봉가스에 혼입시키는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌3참조).

또, 400nm이하의 자외선을 광학부품에 조사하는 광학계에 있어서, 광학부품의 분위기를 99.9%이상의 질소로 하는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌4참조).

또, 레이저장치내의 유분 등을 탈지, 세정하는 것이 제안되고 있다.(예를 들면 특허문헌5참조).

(특허문헌1)

일본 특허공개 2002-202442호공보

(특허문헌2)

일본 특허공개 평11-54852호공보

(특허문헌3)

미국 특허 5392305호공보

(특허문헌4)

일본 특허공개 평11-167132호공보

(특허문헌5)

일본 특허공개 평11-87814호공보

그러나, 특허문헌4에 기재된, 외부공진기부분을 갖는 자외선발생 광학계에 있어서, 외부공진기내를 99.9%이상의 질소로 퍼지(purge)하기 위해서는, 고순도질소를 공급하기 위한 고액의 설비를 필요로 하므로, 레이저장치의 고비용화를 피할 수 없다.

한편, 본 출원인에 의한 일본 특허출원 2002-101722호에 있어서, 발진파장이 350∼45Onm인 반도체 레이저 소자를 포함하는 모듈에서는, 밀봉분위기의 산소농도가 지나치게 높으면, 오히려 레이저 특성이 열화하는 것이 판명된 것이 기재되어 있다.

레이저 모듈에 사용하는 반도체 레이저 소자의 발진파장을 410nm, 810nm, 980nm로 변경하고, 특허문헌5에 기재되어 있는 세정공정을 실시한 레이저 모듈을 사용하여, 밀봉분위기중의 산소농도에 대한 신뢰성의 변화를 평가한 결과, 파장 410nm의 반도체 레이저 소자를 사용한 레이저 모듈에서는, 경시 모듈 열화속도의 산소농도에 대한 의존성은 파장 810nm, 파장 980nm의 적외파장을 이용한 모듈에 보여지는 바와 같은 산소농도증가에 따른 레이저특성의 개량효과가 보여지지 않았다.

즉, 파장 810nm, 980nm의 적외파장의 레이저광에 대해서는, 모듈내 섬유 입사단면, 렌즈 등, 레이저광로상에 존재하는 광학부품 표면에 퇴적하는 탄화수소계 유기화합물의 분해반응이 산소농도의 증가와 함께 활발해져서, 경시 신뢰성의 향상이 보여진다. 이것에 대해서, 파장 410nm의 레이저광에 대해서는 산소농도가 1OOppm 이상이 되면 반대로 신뢰성이 나빠진다.

이것은, 산소농도가 1OOppm이상의 영역에서는, 섬유단면 집광부에 있어서의 규소화합물의 퇴적이 현재화(懸在化)하는 것에 의한다. 이 규소화합물의 퇴적물도 탄화수소화합물과 마찬가지로, 광학적인 흡수를 발생시키기 때문에 연속발진에 있어서의 경시 신뢰성이 현저하게 떨어진다.

즉, 레이저광과 탄화수소가스의 반응에 의해 생성되는 탄화수소 퇴적물은 일정량이상의 산소를 함유한 가스분위기하에서 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 분해되어 제거된다. 그러나, 퇴적물에는 탄화수소뿐만 아니라 규소화합물이 함유되어 있다.이 규소화합물의 퇴적물은 산소를 분위기중에 함유시키는 것만으로는 분해 혹은 제거할 수 없다. 퇴적되는 규소화합물은 실록산결합(Si-O-Si), 실라놀기(-Si-OH) 등의 규소원자를 함유하는 유기화합물가스(이하, 「유기규소화합물」이라고 한다)와 레이저광의 광화학반응에 의해 발생한다. 또한, 분위기중의 산소의 존재는 그 광화학반응의 반응속도를 빠르게 해버린다.

여기에서 말하는 규소화합물이란, 유기, 무기를 막론하고 규소원자를 함유하는 모든 구조를 갖고 있는 화합물이며, 무기산화규소(SiOx), 유기규소화합물, 탄화규소화합물, 유기탄화 규소화합물 등이 함유된다. 또, 유기규소화합물 가스는, 모듈제조공정중의 임의의 장소에 사용되고 있는 실리콘계 재료에서 발생되는 가스이며, 모듈내의 각 부품표면에 부착되어 있는 경우에, 이것을 밀봉해서 사용하면 밀봉분위기중에도 미량의 유기규소화합물 가스가 함유된다.

이들의 제조공정중에 존재하는 가스성분은, 통상의 클린룸이 밀봉가스 정제기를 설치하는 것만으로는 완전히 제거할 수 없다. 이것을 제거하기 위해서는 다대한 설비투자가 필요하게 된다. 또, 특허문헌5에 기재된 탈지, 세정공정을 실시해도 제조공정 분위기중에서 유기규소화합물 가스가 혼입하는 것을 피할 수는 없다.

따라서, 상기한 바와 같이, 탄화수소화합물의 퇴적을 방지하기 위해서, 밀봉분위기중에 산소를 함유시키는 경우이어도, 산소함유량이 지나치게 많으면 규소화합물의 퇴적이 증가해서 레이저특성이 열화하고, 신뢰성이 악화하게 된다. 그리고, 모듈내부의 섬유 입사단면, 렌즈 등의 광학부품은 모듈내에 접착제나 땜납재로 고정되어 있으며, 특허문헌2와 같이 이들을 교환하는 것은 불가능하다.

금후, 상기와 같은 합파 레이저광원 등과 같이 레이저장치의 고출력화 고휘도화가 진행되면, 에너지가 높은 자외영역의 광을 출사하는 레이저의 경우, 반도체 레이저 소자의 출사단면, 광섬유의 입사단 및 광학부재뿐만 아니라, 광섬유의 출력 단에 있어서도 파워밀도가 높아지기 때문에, 유기물이 분해되기 쉽고, 그 분해물이나 분위기중의 먼지 등의 오염물질도 부착되기 쉬워진다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여, 저비용으로 제조가능한, 고출력 및 고신뢰성이 얻어지는 레이저장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 레이저장치는, 복수의 반도체 레이저 소자와, 멀티모드 광섬유와, 상기 복수의 반도체 레이저 소자로부터 각각 출사된 레이저빔을 집광하여 상기 멀티모드 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저장치에 있어서,

멀티모드 광섬유의 출사단에, 상기 출사단을 대기로부터 보호함과 아울러, 상기 출사단으로부터 소정이상의 거리를 두고 형성된 출사창을 갖는 보호수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

보호수단은, 출사단에 고착된, 적어도 고착되는 면과 대향하는 다른쪽 면을 갖는 투명체이어도 좋고, 그 경우, 출사창은 그 투명체의 상기 다른쪽 면인 것이 바람직하다.

또, 보호수단은, 내부에 출사단을 포함하도록 출사단 근방에 설치된, 불활성 가스에 의해 기밀 밀봉된 밀폐용기이어도 좋고, 그 경우, 출사창은 밀폐용기에 출사단과 대향하는 위치에 형성된 유리창인 것이 바람직하다.

또한 보호수단은, 내부에 출사단을 포함하도록 출사단 근방에 설치된, 불활성 가스를 유동시키기 위한 기체순환장치에 연결된 배기구와 급기구를 구비한 밀폐 용기이어도 좋고, 그 경우, 출사창은 밀폐용기에 출사단과 대향하는 위치에 형성된 유리창인 것이 바람직하다. 또한, 기체순환장치에, 배기구로부터 배기된 가스에 함유되는 오염물질을 제거하기 위한 필터를 구비하는 것이 바람직하다.

또, 여기에서 말하는 불활성 가스란 레이저장치의 부재 등에 불활성인 가스이며 예를 들면, 건조한 질소, 아르곤 등의 희가스 등을 나타낸다.

또, 불활성 가스중에, 1ppm이상의 농도의 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 하나를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 1∼10Oppm으로 하는 것이 바람직하다. 또, 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스는 불소원자를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 할로겐화합물 가스는 탄소, 질소, 유황 및 크세논 각각의 불화물과, 탄소, 질소, 유황 및 크세논 각각의 염화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다.

또, 기밀 밀봉되는 광섬유의 출사단, 및 기밀 밀봉되는 출사창의 최표면층을 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스에 대하여 불활성인 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 이 불활성인 재료는, 인듐, 갈륨, 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨 각각의 산화물과 갈륨, 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨 각각의 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다.

출사단의 코어지름은 1OO㎛이하인 것이 바람직하다.

또, 반도체 레이저 소자는 GaN계의 반도체로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 레이저장치에 따르면, 상기와 같은 구성의 레이저장치에 있어서, 멀티모드 광섬유의 출사단에, 출사단을 대기로부터 보호하고, 출사단으로부터 소정 이상의 거리를 두고 형성된 출사창을 갖는 보호수단이 설치되어 있는 것에 의해, 출사단면에 오염물질이 부착하는 것을 방지할 수 있으므로, 광출력을 향상시킬 수 있고, 또한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

보호수단이, 출사단에 고착된, 적어도 고착되는 면과 대향하는 다른쪽 면을 갖는 투명체이며, 출사창을 그 투명체의 상기 다른쪽 면으로 한 경우에는, 최종적으로 레이저빔이 출사되는 출사단면(즉 출사창)이 멀티모드 광섬유의 출사단으로부터 떨어진 다른쪽 면이 되므로, 출사단면의 파워밀도가 내려가고, 오염물질의 부착을 방지할 수 있다. 또, 출사단면의 파워밀도가 떨어지는 것에 의해, 출사단면 부근의 유기물의 분해능력이 저하하기 때문에, 출사단면에의 분해물의 부착을 방지할 수 있다.

또, 보호수단이, 내부에 출사단을 포함하도록 출사단 근방에 설치된, 불활성 가스에 의해 기밀 밀봉된 밀폐용기이며, 출사창을 밀폐용기에 출사단과 대향하는 위치에 형성된 유리창으로 한 경우에는, 상기와 마찬가지로, 출사단면의 파워밀도를 내릴 수 있어, 양호하게 오염물질의 부착을 방지할 수 있다. 또, 불활성 가스에 의해 기밀 밀봉되어 있기 때문에 더욱 오염물질의 부착을 억제할 수 있다.

또한, 보호수단이, 내부에 출사단을 포함하도록 출사단 근방에 설치된, 불활성 가스를 유동시키기 위한 기체순환장치에 연결된 배기구와 급기구를 구비한 밀폐용기이며, 출사창을 밀폐용기에 출사단과 대향하는 위치에 형성된 유리창으로 한 경우에는, 상술과 같이, 출사단면의 파워밀도를 내릴 수 있다. 또, 항상 불활성 가스가 출사단면 부근에 존재하게 되므로, 양호하게 오염물질의 부착을 방지할 수 있 다. 또, 상술과 같은 고순도의 질소공급설비를 필요로 하지 않기 때문에 저비용으로 높은 신뢰성 및 출력을 얻는 것이 가능한 레이저장치로 할 수 있다.

또한, 기체순환장치에, 배기구로부터 배기된 가스에 함유되는 오염물질을 제거하기 위한 필터를 구비한 경우에는, 밀폐용기내 혹은 기체순환장치에 함유되는 오염물질을 양호하게 제거할 수 있어 더욱 신뢰성의 높은 고출력화가 가능한 레이저장치로 할 수 있다.

불활성 가스중에, 1ppm이상의 농도의 산소와 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 하나(이하, 「할로겐계 가스」라고 한다)를 함유하는 것으로 한 경우에는, 탄화수소 퇴적물이 산화분해되어서 감소함과 아울러, 규소화합물에 의한 퇴적물이 할로겐계 가스로 분해, 제거되어서 감소하므로, 레이저특성의 열화가 효과적으로 억제된다. 이것에 의해 신뢰성이 높은 레이저 모듈을 제공할 수 있다.

또, 기밀 밀봉되는 광섬유의 출사단, 및 기밀 밀봉되는 출사창의 최표면층을 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스에 대하여 불활성인 재료로 구성하는 것은, 할로겐계 가스는 반응성이 높으므로, 이들의 부재의 열화를 방지하는데에 효과적이다.

또, 출사단의 코어지름이 1OO㎛이하인 출사단의 파워밀도가 높은 레이저장치에 있어서 본 발명을 적용하는 것은, 양호하게 오염물질의 부착을 방지하기 때문에 효과적이다.

또, 반도체 레이저 소자가 GaN계의 반도체로 이루어지는 레이저장치에 있어서는, 에너지가 높은 자외영역의 레이저빔을 출사하기 때문에, 본 발명을 적용하는 것은 오염물질의 부착을 방지하기 위해서 효과적이다.

이하, 본 발명실시형태를 도면을 사용해서 상세하게 설명한다.

본 발명의 제1실시형태에 의한 레이저장치에 대해서 설명한다. 도 1은 그 레이저장치의 구성을 나타내는 개략평면도이며, 도 2 및 도 3은 모듈형상을 나타내는 개략평면도 및 측면도이다.

본 실시형태에 의한 레이저장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 히트블록(방열블록)(1O)상에 배열고정된 일례로서 8개의 칩상태의 횡싱글모드 싱글캐비티 GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)와, 콜리메이터렌즈(11)와, 집광렌즈(12)와, 1개의 멀티모드 광섬유(13)와, 멀티모드 광섬유(13)의 출사단에 융착된, 두께(L)가 2mm정도인 직육면체의 유리(14)로 구성되어 있다.

또 이 도 1은, 본 실시형태의 레이저장치의 기본구성을 나타내는 것이며, 콜리메이터렌즈(11) 및 집광렌즈(12)의 형상은 개략적으로 나타내어져 있다. 또, GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)는 예를 들면 AlN으로 이루어지는 서브마운트 상에 고착된 것을 히트블록(10)에 부착해도 좋다.

GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)는 발진파장이 예를 들면 모두 공통인 400nm이며, 최대출력도 모두 공통인 50mW이다. 이들 GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)로부터 발산광상태로 출사된 레이저빔(B1∼B8)은 각각 마이크로렌즈어레이(11)에 의해 평행광화된다.

평행광으로 된 레이저빔(B1∼B8)은 집광렌즈(12)에 의해 집광되어, 멀티모드 광섬유(13)의 코어(13a)의 입사단면상에서 수속된다. 본 예에서는 마이크로렌즈어 레이(11) 및 집광렌즈(12)에 의해 집광광학계(19)가 구성되며, 그것과 멀티모드 광섬유(13)에 의해 합파광학계가 구성되어 있다. 즉, 집광렌즈(12)에 의해 상술한 바와 같이 집광된 레이저빔(B1∼B8)이 이 멀티모드 광섬유(13)의 코어(13a)에 입사해서 섬유(13)내를 전파하고, 1개의 레이저빔(B)으로 합파되어서 멀티모드 광섬유(13)에 융착된 유리(14)의 출사단면(14a)으로부터 출사한다.

멀티모드 광섬유(13')는 코어(13a)와 그 주위의 클래드(13b)로 이루어지는 멀티모드 광섬유(13)의 주위가 수지층에 의해 피복되어 있는 것이다.

또 멀티모드 광섬유(13)로서는, 스텝 인덱스형의 것, 그레이디드 인덱스형의 것 및 이들의 복합형의 것이 모두 적용가능하다.

본 실시형태에 있어서는, 유리(14)를 멀티모드 광섬유(13)의 출사단에 융착했지만, 유리 대신에 플라스틱을 사용해도 좋고, 투명재료이면 좋다.

다음에, 상기 구성으로 이루어지는 레이저장치의 실장형태에 대해서 설명한다. 도 2 및 도 3은 각각 그 실장형태의 평면형상 및 측면형상을 나타내는 것이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, GaN계 반도체 레이저(LD1∼LD8)와, 마이크로렌즈 어레이(11)와, 집광렌즈(12)와, 1개의 멀티모드 광섬유(13)의 입사단은 상방이 개구된 박스상의 패키지(40)안에 수용되며, 이 패키지(40)의 상기 개구가 패키지덮개(41)에 의해 폐쇄됨으로써, 상기 패키지(40) 및 패키지덮개(41)에 의해 형성되는 폐쇄공간 내에 밀폐유지된다.

패키지(40)의 저면에는 베이스판(42)이 고정되고, 이 베이스판(42)의 상면에 상기 히트블록(10)이 부착되며, 그리고 이 히트블록(10)에 마이크로렌즈어레이(11) 를 유지하는 콜리메이터렌즈 홀더(44)가 고정되어 있다. 또한 베이스판(42)의 상면에는, 집광렌즈(12)를 유지하는 집광렌즈 홀더(45)와, 멀티모드 광섬유(13)의 입사단부를 유지하는 섬유 홀더(46)가 고정되어 있다. 또 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)에 구동전류를 공급하는 배선류(47)는 패키지(40)의 횡벽면에 형성된 개구를 통과해서 패키지 외부로 인출되어 있다.

또, 도 2에 있어서는, 도면의 번잡화를 피하기 위해, GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8) 중 1개의 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1)에만 부호를 붙이고, 또 레이저빔(B1∼B8) 중 B1에만 부호를 붙였다.

GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)로서는, 발광폭이 약 1㎛이며, 활성층과 평행한 방향, 직각인 방향의 퍼짐각이 일례로서 각각 10°, 30°의 상태로 각각 레이저빔(B1∼B8)을 출사하는 것이 이용되고 있다. 이들의 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)는 활성층과 평행한 방향으로 발광점이 1열로 배열되도록 배치되어 있다.

이 구성에 있어서는, 마이크로렌즈어레이(11)의 각 렌즈의 NA(개구수)를 0.2로 하고, 집광렌즈(12)에 의한 각 빔의 집속각 α=11°로 하면, 레이저빔(B1∼B8)의 멀티모드 광섬유(13)의 코어(13a)상에서의 수속 스폿지름은 약 18㎛이 된다. 그리고, GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)의 출력이 모두 50mW인 경우, 합파된 레이저빔(B)의 출력은 400mW가 된다.

멀티모드 광섬유(13)로서는, 미쓰비시덴센고교 가부시키가이샤 제품의 스텝 인덱스형 광섬유를 기본으로 해서, 코어지름=50㎛, NA=0.2, 단면코트의 투과율 =99.5%이상의 것이 이용되고 있다. 본 예의 경우, 앞서 서술한 코어지름×NA의 값은 10㎛이다.

또, 유리(14)의 두께(L)가 2mm정도이며, 멀티모드 광섬유(13)의 출사단으로부터 유리(14)의 출사단면(14a)까지의 레이저빔(B)의 퍼짐각은 16.5°이기 때문에, 유리(14)의 출사단면(14a)에 있어서의 레이저빔 지름은 약 1.2mm로 확대되고, 파워밀도는 멀티모드 광섬유(13)의 출사단과 비교해서 1/1000정도로 저감되어 있다.

상기 제1실시형태에 있어서는, 멀티모드 광섬유(13)의 출사단에 유리(14)를 융착에 의해 고착했지만, 도 4에 나타낸 바와 같이, 멀티모드 광섬유(13)의 출사단 근방의 주위를 금속층(15)에 의해 메탈라이징하고, 다시 유리(14)의 광섬유(13)의 고착면을 금속층(16)에 의해 메탈라이징하고, 핸더(17)에 의해 메탈라이징된 멀티모드 광섬유(23)와 유리(14)를 고착해도 좋다. 또, 멀티모드 광섬유(13)의 출사면 및 유리(14)의 입사면에는, 금속층(15) 및 금속층(16)에 의해 형성되는 공기층에 의한 반사를 방지해서 빔투과율을 높이기 위해서, 합파된 레이저빔(B)의 발진파장에 대해서 무반사가 되는 단면코트(18)가 처리되어 있다.

다음에, 본 발명의 제2실시형태에 의한 레이저장치에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 의한 레이저장치는 반도체 레이저 소자, 집광광학계 및 합파광학계에 대해서는 상기 제1실시형태와 같기 때문에, 이들의 설명은 생략하고, 멀티모드 광섬유의 출사단 근방에 설치된 보호수단에 대해서만 설명한다. 그 측면도를 도 5에 나타낸다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 출사단 근방이 메탈라이징된 멀티모드 광섬유(23) 가 출사창이 되는 유리창(21)을 구비한 패키지(20)내에, 홀더(24)상에 고착되어 있다. 패키지내를 불활성 가스에 의해 치환한 후, 덮개(22)에 의해 메탈밀봉한다.

멀티모드 광섬유(23)의 출사단으로부터 유리창(21)의 출사단면까지의 거리(L)는 2mm정도이며, 유리창(21)의 출사단면에 있어서의 파워밀도는 멀티모드 광섬유(23)의 출사단에 있어서의 파워밀도와 비교해서 약 1/1000정도로 감소되어 있다.

멀티모드 광섬유(23')는 코어층과 클래드층으로 이루어지는 멀티모드 광섬유(23)의 주위가 수지층에 의해 피복된 것이다.

또, 패키지(20)에 충전하는 불활성 가스로서는, 질소(순도 99.99%)중에, 1ppm이상의 농도의 산소와 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 하나를 함유하는 것이 바람직하다.

밀봉분위기중에 1ppm이상의 농도의 산소가 함유되면, 레이저 모듈의 열화를 억제할 수 있다. 이러한 열화억제효과가 얻어지는 것은 밀봉분위기중에 함유되는 산소가 탄화수소성분의 광분해에 의해 발생한 고형물을 산화분해하기 때문이다. 한편, 산소농도가 1ppm미만이면, 열화억제효과가 얻어지지 않는다. 산소농도가 지나치게 높으면 오히려 유기규소화합물 가스의 광화학반응이 촉진되므로, 밀봉분위기중의 산소농도는 1∼800ppm의 범위가 바람직하고, 1∼1OOppm의 범위가 특히 바람직하다.

할로겐족 가스란, 염소가스(Cl₂), 불소가스(F₂) 등의 할로겐 가스이며, 할로 겐화합물 가스란, 염소원자(Cl), 브롬원자(Br), 요오드원자(I), 불소원자(F) 등의 할로겐원자를 함유하는 가스상의 화합물이다.

할로겐화합물 가스로서는, CF₃Cl, CF₂Cl₂, CFCl₃, CF₃Br, CCl₄, CCl₄-O₂, C₂F₄Cl₂, Cl-H₂, CF₃Br, PCl₃, CF₄, SF₆, NF₃, XeF₂, C₃F₈, CHF₃ 등을 들 수 있지만, 불소 또는 염소와 탄소(C), 질소(N), 유황(S), 크세논(Xe)과의 화합물이 바람직하고, 불소원자를 함유하는 것이 특히 바람직하다.

할로겐계 가스가 미량으로 열화억제효과를 발휘하지만, 현저한 열화억제효과를 얻기 위해서는, 할로겐계 가스의 함유농도를 1ppm이상으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 열화억제효과가 얻어지는 것은 밀봉분위기중에 함유되는 할로겐계 가스가 유기규소화합물 가스의 광분해에 의해 발생한 퇴적물을 분해하기 때문이다.

광학부품을 피복하는 최표면의 재료에는, 규소(Si), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 주석(Sn), 또는 지르코늄(Zr) 산화물 또는 질화물 등, 할로겐계 가스에 대해서 반응성을 갖는 재료를 사용하는 경우에는, 이들의 광학부품의 최표면층이 에칭되어서 모듈의 신뢰성이 저하한다.

따라서, 기밀 밀봉되는 멀티모드 광섬유의 출사단부, 및 출사창의 밀봉분위기에 노출되는 최표면층에는, 예를 들면, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 탄탈륨(Ta)의 산화물 또는 질화물과 같이, 할로겐계 가스에 대해서 불활성인 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 제3실시형태에 의한 레이저장치에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 의한 레이저장치는 반도체 레이저 소자, 집광광학계 및 합파광학계에 대해서는 상기 제1실시형태와 같기 때문에, 이들의 설명은 생략하고, 멀티모드 광섬유의 출사단 근방에 설치된 보호수단에 대해서만 설명한다. 그 평면도를 도6에 나타낸다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의, 메탈라이징된 멀티모드 광섬유(23)는 출사창이 되는 유리창(31)을 구비한 패키지(30)내에 홀더(34)상에 고착되어 있다. 패키지(30)에는, 급기구(32a)와 배기구(32b)가 형성되어 있으며, 또한, 배기구(32b)로부터 인출된 배관에 설치된 오염물질을 제거하는 필터(35)와, 불활성 가스를 순환시키는 펌프(36)와, 가스봄베(38)로부터 가스보충을 조정하는 밸브(37)를 구비해서 이루어지는 기체순환장치를 구비하고 있다. 또, 패키지(30)는 도시가 생략된 덮개에 의해 메탈밀봉된다.

필터(35)에는, 흡착제가 충전된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 흡착제로서는 제올라이트흡착제, 활성탄 혹은 제올라이트흡착제와 활성탄의 양쪽을 사용할 수 있다. 제올라이트흡착제로서는, 토소(주)제의 「제올람 F9 HA」가 바람직하고, 이 「제올람 F9 HA」는 알칼리금속 혹은 알칼리토류금속의 결정성 함수 알루미노규산염(Me/x·Al₂O₃·mSiO₂·nH₂O:Me은 x가의 금속이온)으로 이루어지는 것이다. 제올라이트흡착제의 양은 패키지의 내용적(內容積), 추정되는 오염물질 및 흡착제의 흡착능력 등을 고려해서 결정되는 것이 바람직하다. 또 제올라이트계의 흡착제에 한정되지 않으며 다른 조성으로 이루어지는 흡착제를 사용해도 좋다.

또한 흡착제가 충전된 필터내에, Pt, Pd 등의 촉매를 첨가하고, 이 필터를 500℃로 가열해서 탄화수소화합물을 분해시키도록 해도 좋다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 배관중에 필터를 설치해서 오염물질을 제거하는 것으로 했지만, 패키지(30)내의 레이저빔(B)의 광로상이 아닌 부분에 흡착제를 무기계 혹은 유기계의 접착제에 의해 접착해서 오염물질을 제거하는 것으로 해도 좋다.

본 실시형태에 있어서도, 레이저빔(B)이 대기중에 출사되는 단면이 멀티모드 광섬유(23)의 출사단으로부터 떨어진 유리창(31)이므로, 최종적인 출사단면에서의 파워밀도를 저감할 수 있다. 또한, 멀티모드 광섬유(23)의 출사단에서 유리창(31)의 출사단면까지의 거리를 조정하는 것에 의해, 유리창(31)의 출사단면에서의 파워밀도를 조정하는 것이 가능하다.

다음에, 본 발명의 제4실시형태에 의한 레이저장치에 대해서 설명한다. 그 레이저장치의 개략사시도를 도 7에 나타낸다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 의한 레이저장치는, 상기 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)와, 마이크로렌즈어레이(11)와, 집광렌즈(12)와, 출사단이 메탈라이징된 멀티모드 광섬유(23)의 입사단이 패키지(40)에 밀봉되어서 이루어지는 레이저장치 100개를, 패키지(40)로부터 인출된, 수지피복된 멀티모드 광섬유(23')가 1차원상으로 배열되도록 배치되어 이루어지는 것이다.

멀티모드 광섬유(23')의 출사단 근방은 주위의 수지피복이 제거되는 대신에 메탈라이징처리가 되어 있다. 광섬유(23)의 출사단 근방에 상술한 도 5에 나타내는 광섬유(23)의 배열방향으로 긴, 창유리(52)를 구비한 패키지(51)가 부착되어 있으며, 불활성 가스 분위기에서 메탈밀봉되어서 이루어지는 것이다. 본 실시형태에 의한 레이저장치는 멀티모드 광섬유(23)의 출사단을 1차원상으로 배치해서, 이들 멀티모드 광섬유(23)의 각각으로부터 고휘도이며 고밀도의 자외레이저빔(B)을 출사하는 것이다.

이러한 레이저장치에 있어서, 본 발명의, 광섬유의 출사단을 대기로부터 보호하고, 출사단으로부터 소정이상의 거리를 두고 형성된 출사창을 갖는 보호수단을 설치하는 것에 의해, 출사단면에서의 파워밀도를 저감할 수 있으므로, 오염물질의 부착을 양호하게 방지할 수 있다.

본 실시형태에서는, 멀티모드 광섬유(23)의 출사단이 불활성 가스에 의해 기밀 밀봉되어서 이루어지는 것으로 했지만, 상기 제1실시형태에 나타낸 바와 같이, 유리 혹은 플라스틱 등의 투명재료를 광섬유 어레이의 출사단에 융착해도 좋고, 상기 제3실시형태에 나타낸 바와 같이, 기체순환장치에 연결된 배기구와 급기구를 구비한 밀폐용기를 부착해서, 밀폐용기 내부에 불활성 가스가 유동하도록 해도 좋다.불활성 가스에 대해서는 상술의 가스를 사용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 레이저장치는, 멀티모드 광섬유의 출사단에, 상기 출사단을 대기로부터 보호하고, 출사단으로부터 소정이상의 거리를 두고 형성된 출사창을 갖는 보호수단이 설치되어 있는 것에 의해, 출사단면에 유기물 등의 오염물질이 부착되는 것을 방지할 수 있어 높은 출력과 신뢰성을 저비용으로 얻을 수 있다.

Claims

복수의 반도체 레이저 소자와, 멀티모드 광섬유와, 상기 복수의 반도체 레이저 소자로부터 각각 출사된 레이저빔을 집광하여 상기 멀티모드 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저장치에 있어서,

상기 멀티모드 광섬유의 출사단에, 상기 출사단을 대기로부터 보호함과 아울러, 상기 출사단으로부터 소정이상의 거리를 두고 형성된 출사창을 갖는 보호수단이 설치되어 있고,

상기 보호수단이, 내부에 상기 출사단을 포함하도록 상기 출사단 근방에 설치된, 불활성 가스를 유동시키기 위한 기체순환장치에 연결된 배기구와 급기구를 구비한 밀폐용기이며, 상기 출사창이 상기 밀폐용기에 상기 출사단과 대향하는 위치에 형성된 유리창인 것을 특징으로 하는 레이저장치.
제1항에 있어서, 상기 기체순환장치에, 상기 배기구로부터 배기된 가스에 포함되는 오염물질을 제거하기 위한 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출사단의 코어지름이 100㎛이하인 것을 특징으로 레이저장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저 소자가 GaN계의 반도체로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 레이저장치.