KR20100109981A - 레이저 광원 모듈 - Google Patents
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Abstract
고체 레이저 소자와, 여기 광원과, 파장 변환 소자가 탑재된 열 싱크와, 열 싱크를 지지하는 스템을 구비한 레이저 광원 모듈을 구성함에 있어서, 열 싱크를 3개의 블록, 즉 고체 레이저 소자용 레이저 발진부가 윗면에 탑재된 제 1 블록과, 레이저 발진부용 여기광을 출사하는 반도체 레이저 소자와 제 1 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 1 히터가 탑재된 제 2 블록과, 레이저 발진부가 발진시킨 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자와 제 2 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 2 히터가 탑재된 제 3 블록으로 분할하고, 제 2 블록만을 그 제 2 블록의 측면 또는 바닥면에서 스템에 고정하고, 제 2 블록의 다른 측면에 제 1 블록을 고정하고, 제 1 블록의 측면에 제 3 블록을 고정함으로써, 소형화 및 각 소자의 위치 정밀도의 향상을 도모한다.
Description
본 발명은 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저와 그 고체 레이저로부터 발진된 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자를 구비한 레이저 광원 모듈에 관한 것이다.
최근에는, 주기 분극 반전(Periodically Poled) 구조를 갖는 비선형 광학(NLO : Non-Linear Optical) 결정에서의 의사 위상 정합을 이용한 NLO 파장 변환 소자에 의해 고효율로 파장 변환을 행하는 것이 가능하게 되어 있다. 예컨대, 고체 레이저 소자로부터 발진된 적외 레이저광을 NLO 파장 변환 소자에 의해 파장 변환하여 제 2 고조파를 발생시킴으로써, 가시 레이저광을 발진시키는 레이저 광원 모듈을 얻을 수 있다. 이때, 고체 레이저 소자의 여기 광원으로서는, 예컨대 반도체 레이저 소자가 이용된다.
상기 NLO 파장 변환 소자는 위상 정합 조건을 만족시켰을 때에 효율적으로 파장 변환을 행한다. 예컨대 제 2 고조파의 발생시에는, 입사된 기본파 레이저광에 의해 강제 여기된 비선형 분극파의 위상 속도와 비선형 분극에 의해 발생한 제 2 고조파의 위상 속도가 일치했을 때에, 소자 내의 각 위치에서 발생한 광파가 동일 위상이 되어 각각이 코히런트 가산(coherent addition)되어, 높은 변환 효율이 얻어진다. 단, NLO 파장 변환 소자는 온도 의존성을 갖고 있어, 동작 온도에 따라 파장 분산 특성이 변화하므로, 위상 정합 조건이 만족되지 않는 것을 방지하기 위해서는, 그 NLO 파장 변환 소자의 동작 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다.
마찬가지로, 반도체 레이저 소자의 출력광 강도 및 발진 파장에도 온도 의존성이 있다. 최적 동작 온도보다 고온의 환경하에서는, 반도체 레이저 소자로부터의 발진 파장이 길어진다. 예컨대 바나딘산이트륨(YVO4)과 같이 흡수 스펙트럼이 급준한 레이저 매질을 이용한 고체 레이저 소자의 여기 광원으로서 반도체 레이저를 이용한 경우, 반도체 레이저 소자의 발진 파장의 변화는 고체 레이저 소자의 출력을 저하시키는 요인이 된다.
따라서, 반도체 레이저 소자와 고체 레이저와 NLO 파장 변환 소자를 이용한 레이저 광원 모듈의 광출력을 높이기 위해서는, 반도체 레이저 소자 및 NLO 파장 변환 소자의 각각을 소정의 온도로 유지하는 것이 바람직하다. 물론, 반도체 레이저 발진기를 하나의 소자 내에 복수 배열한 반도체 레이저 어레이를 이용하여 고체 레이저 소자를 여기하면, 레이저 광원 모듈의 광출력을 높일 수 있지만, 이 경우에도, 그 레이저 광원 모듈의 광출력을 높인다고 하는 관점에서는, 반도체 레이저 어레이 전체를 균일하고 일정한 온도로 유지함과 아울러 NLO 파장 변환 소자 전체를 균일하고 일정한 온도로 유지하는 것이 바람직하다.
예컨대 특허 문헌 1에 기재된 고조파 발생 장치에서는, 하나의 기판상에 2개의 펠티에 소자(Peltier device)를 배치하여, 한쪽의 펠티에 소자상에는 반도체 레이저 소자를 탑재하고, 다른 쪽의 펠티에 소자상에는 유지 부재에 고정된 NLO 파장 변환 소자를 탑재하여, 각각의 펠티에 소자에 의해 반도체 레이저 소자 및 NLO 파장 변환 소자 각각의 온도를 개별적으로 제어하고 있다. 반도체 레이저 소자의 온도 제어는, 그 반도체 레이저 소자에 배치된 서미스터(thermistor)의 측정 온도에 따라 행해지고, NLO 파장 변환 소자의 온도 제어는, 그 NLO 파장 변환 소자가 고정된 유지 부재에 배치된 서미스터의 측정 온도에 따라 행해진다.
또한, 특허 문헌 2에는, 모듈의 케이스 바깥쪽에 펠티에 소자나 핀(fin) 등의 냉각 수단을 배치하고, 케이스의 안쪽에 2개의 열전달 수단을 배치하여 한쪽의 열전달 수단상에 히터를 사이에 두고 반도체 레이저 소자를 탑재하고, 다른 쪽의 열전달 수단상에 히터를 사이에 두고 전계 흡수형 반도체 광변조기 소자를 탑재한 반도체 레이저 장치가 기재되어 있다. 이 반도체 레이저 장치에서는, 반도체 레이저 소자에 직접 부착한 온도 센서의 검지 온도에 따라 반도체 레이저 소자의 온도 제어가 행해지고, 전계 흡수형 반도체 광변조기 소자에 직접 부착한 온도 센서의 검지 온도에 따라 전계 흡수형 광변조기 소자의 온도 제어가 행해진다.
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 공보 평 7-43759 호
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 공보 제 2000-228556 호
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 고조파 발생 장치나 특허 문헌 2에 기재된 반도체 레이저 장치에서는, 장치 내에 냉각 수단이 마련되므로 소형화를 도모하기 어렵다. 또한 반도체 레이저 소자와 파장 변환 소자를 동일한 기판 내지 부재에 배치하므로, 이들 소자의 위치 정밀도, 특히 상기 기재 내지 부재의 두께 방향에서의 위치 정밀도를 높이기 어렵다.
예컨대, 여기광을 발진시키는 반도체 레이저 소자와, 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저 소자와, 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자를 이용하여 레이저 광원 모듈을 구성함에 있어서 이들 소자의 위치 정밀도가 낮으면, 레이저 광원 모듈의 광출력이 저하된다. 특히, 고체 레이저 소자의 레이저 발진부 및 NLO 파장 변환 소자의 각각으로서 도파로형인 것을 이용한 타입의 레이저 광원 모듈이나, 여기 광원으로서 반도체 레이저 어레이를 이용한 타입의 레이저 광원 모듈에서의 광출력을 향상시키기 위해서는, 상기 위치 정밀도를 높여 여기광의 접속 손실 및 기본파 레이저광의 접속 손실을 억제할 것이 요구된다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 레이저 소자와 고체 레이저 소자와 파장 변환 소자를 구비하고, 소형이고 각 소자의 위치 정밀도가 높은 것을 얻기 쉬운 레이저 광원 모듈을 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 레이저 광원 모듈은, 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저 소자와, 고체 레이저 소자를 여기하는 여기 광원과, 고체 레이저 소자가 발진시킨 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자가 탑재된 열 싱크(heat sink)와, 열 싱크를 지지하는 스템(stem)을 구비하고, 열 싱크는, 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저 소자용 레이저 발진부가 윗면에 탑재된 제 1 블록과, 레이저 발진부용 여기광을 출사하는 반도체 레이저 소자와 제 1 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 1 히터가 탑재된 제 2 블록과, 레이저 발진부가 발진시킨 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자와 제 2 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 2 히터가 탑재된 제 3 블록의 3개의 블록으로 분할되어 있고, 제 2 블록만이 그 제 2 블록의 측면 또는 바닥면에서 스템에 고정되고, 제 2 블록의 다른 측면에 제 1 블록이 고정되고, 제 1 블록의 측면에 제 3 블록이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 레이저 광원 모듈은, 고체 레이저 소자용 레이저 발진부가 탑재된 제 1 블록, 반도체 레이저 소자가 탑재된 제 2 블록, 및 파장 변환 소자가 탑재된 제 3 블록 중 제 2 블록만이 스템에 고정되어 있으므로, 제 2 블록에 대한 다른 블록의 상대 위치를 조정하기 쉽다. 이 때문에, 고체 레이저 소자, 반도체 레이저 소자, 및 파장 변환 소자 각각의 위치 정밀도가 높은 것을 얻기 쉽다.
또한, 제 2 블록 및 제 3 블록이 제 1 히터 또는 제 2 히터를 갖고 있고, 또한 제 1 내지 제 3 블록의 각각이 열 싱크를 구성하므로, 모듈 내에 냉각 소자를 배치하지 않더라도, 모듈의 외부에 배치한 냉각 장치와 제 1~제 2 히터에 의해 반도체 레이저 소자, 레이저 발진부, 및 파장 변환 소자 각각의 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 반도체 레이저 소자와 고체 레이저 소자와 파장 변환 소자를 구비하고, 소형이고 각 소자의 위치 정밀도가 높은 레이저 광원 모듈을 얻기 쉬워진다.
도 1은 본 발명의 레이저 광원 모듈의 일례를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈의 사용 형태의 일례를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈을 구성하는 각 부재와 도 3에 나타낸 냉각 장치 사이의 열수송 경로를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 레이저 광원 모듈 중에서 제 3 블록의 아랫면에 제 2 히터가 탑재된 것의 일례를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈의 사용 형태의 일례를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈을 구성하는 각 부재와 도 3에 나타낸 냉각 장치 사이의 열수송 경로를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 레이저 광원 모듈 중에서 제 3 블록의 아랫면에 제 2 히터가 탑재된 것의 일례를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 레이저 광원 모듈의 실시의 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또, 본 발명은 하기의 실시의 형태에 한정되는 것이 아니다.
(실시의 형태 1)
도 1은 본 발명의 레이저 광원 모듈의 일례를 개략적으로 나타내는 측면도이며, 도 2는 도 1에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다. 이들 도면에 나타내는 레이저 광원 모듈(50)은, 제 1 블록(1), 제 2 블록(10), 및 제 3 블록(20)의 3개의 블록으로 분할된 열 싱크(30)와, 열 싱크(30)를 지지하는 스템(40)을 구비하고 있다.
상기 제 1 블록(1)의 윗면(1a)에는 서브마운트(2)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있고, 서브마운트(2)상에는 레이저 발진부(3)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다. 상기 각 접합재로서는, 땜납, 도전성 접착제, 비도전성 접착제 등, 소망하는 것이 적절히 이용된다(이하 동일). 제 1 블록(1)은 레이저 발진부(3)의 광축과 직교하는 2개의 측면을 갖는 평판 형상의 부재이며, 예컨대 구리나 구리텅스텐 등의 구리계 재료와 같이 열전도율이 높은 금속 재료나 합금 재료에 의해 제작된다.
제 1 블록(1)에 고정되어 있는 서브마운트(2)는 레이저 발진부(3)에 소정 패턴의 열분포를 형성하고, 그 열분포에 의해 렌즈 효과를 발현시켜 레이저 발진부(3) 내에서의 광확산을 억제한다. 그 때문에, 그 서브마운트(2)로서는, 레이저 발진부(3)측에 복수의 접합면을 갖는 빗 형상의 것이 이용된다.
레이저 발진부(3)는 고체 레이저 소자에 이용되는 도파로형이며, 기본파 레이저광을 발진시키는 복수의 광 도파로를 갖고 있다. 도 1에는, 하나의 광 도파로(3a)를 나타내고 있다. 레이저 광원 모듈(50)이 녹색의 레이저광을 발진시키는 경우에는, 예컨대 Nd:YVO3(네오디뮴이 도프된 바나딘산이트륨) 등의 레이저 매질에 의해 각 광 도파로가 형성된다. 이 레이저 발진부(3)는, 후술하는 레이저 공진기와 함께 고체 레이저 소자 SL을 구성한다.
제 2 블록(10)의 윗면(10a)에는 서브마운트(12)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있고, 서브마운트(12)상에는 반도체 레이저 소자(13)와 제 1 온도 센서(14)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 탑재되어 있다. 또한, 제 2 블록(10)의 아랫면(10b)에는, 제 1 히터(15)(도 1 참조)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 탑재되어 있다. 그 제 2 블록(10)은, 제 1 블록(1)과 같이 열전도율이 높은 금속 재료나 합금 재료에 의해 제작된 평판 형상의 부재이며, 반도체 레이저 소자(13)의 광축과 직교하는 2개의 측면을 갖고 있다.
제 2 블록(10)에 고정되어 있는 서브마운트(12)는 전기 절연 재료에 의해 제작되고, 반도체 레이저 소자(13)의 동작시에 제 2 블록(10)과 반도체 레이저 소자(13)의 선팽창 계수 차이에 기인하여 이들 제 2 블록(10)과 반도체 레이저 소자(13) 사이에 생기는 열응력을 완화한다. 이 서브마운트(12)에는, 반도체 레이저 소자(13) 및 온도 센서(14)에 접속된 구동 회로 패턴(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
반도체 레이저 소자(13)는 복수의 반도체 레이저 발진기를 갖는 반도체 레이저 어레이이며, 도시를 생략한 외부 회로에 접속되어, 고체 레이저 소자 SL의 여기광을 출사하는 여기 광원으로서 기능한다. 레이저 발진부(3)에서의 각 광 도파로가 Nd:YVO3에 의해 형성되어 있는 경우, 상기 반도체 레이저 발진기의 각각으로서는, 예컨대 파장 800㎚대의 근적외 레이저광을 발진시키는 것이 이용된다. 제 1 온도 센서(14)로서는, 예컨대 서미스터가 이용된다. 제 1 온도 센서(14)는 반도체 레이저 소자(13) 근방의 온도를 검지하고, 제 1 히터(15)는 제 2 블록(10) 및 서브마운트(12)를 사이에 두고 반도체 레이저 소자(13)를 가열한다. 이들 반도체 레이저 소자(13), 제 1 온도 센서(14), 및 제 1 히터(15)의 각각은, 레이저 광원 모듈(50)의 실장시에 외부 회로에 접속된다.
제 3 블록(20)의 윗면(20a)에는 기판(22)이 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있고, 기판(22)상에는 균열판(23)이 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있고, 균열판(23)상에는 파장 변환 소자(24)가 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되고 탑재되어 있다. 또한, 기판(22)상에는, 제 2 온도 센서(25)와 2개의 제 2 히터(26a, 26b)(제 2 히터(26b)에 대해서는 도 2 참조)도 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 탑재되어 있다. 그 제 3 블록(20)은, 제 1 블록(1)과 같이 열전도율이 높은 금속 재료나 합금 재료에 의해 제작된 평판 형상의 부재이며, 파장 변환 소자(24)의 광축과 직교하는 2개의 측면을 갖고 있다.
제 3 블록(20)에 고정되어 있는 기판(22)은, 유리나 세라믹스 등과 같이 열전도율이 비교적 높은 전기 절연 재료에 의해 형성된 평판 형상의 부재이며, 그 기판(22)에는 제 2 온도 센서(25)의 구동 회로 패턴 및 각 제 2 히터(26a, 26b)의 구동 회로 패턴이 각각 형성되어 있다. 균열판(23)은, 예컨대 구리나 알루미늄 등의 열전도성이 양호한 금속 재료 내지 합금 재료에 의해 형성되어, 파장 변환 소자(24)에서의 온도 분포를 균일화한다.
파장 변환 소자(24)는, 예컨대 주기 분극 반전 구조를 갖는 비선형 광학 결정(니오브산칼륨(KNbO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 등)에 의해 형성된 복수의 광 도파로를 갖는 도파로형이며, 상기 각 광 도파로가 파장 변환부로서 기능한다. 도 1에는, 하나의 광 도파로(24a)를 나타내고 있다. 파장 변환 소자(24)에서의 파장 변환 효율에는 온도 의존성이 있으므로, 레이저 광원 모듈(50)의 동작시에는 그 파장 변환 소자(24)가 소정의 온도로 유지된다. 제 2 온도 센서(25)는 파장 변환 소자(24) 근방의 온도를 검지하고, 각 제 2 히터(26a, 26b)는 기판(22) 및 균열판(23)을 사이에 두고 파장 변환 소자(24)를 가열한다. 제 2 온도 센서(25)로서는 예컨대 서미스터가 이용되고, 각 제 2 히터(26a, 26b)는 예컨대 전기 저항체 페이스트를 도공하여, 소성함으로써 형성된다. 이들 제 2 온도 센서(25) 및 각 제 2 히터(26a, 26b)의 각각은, 레이저 광원 모듈(50)의 실장시에 외부 회로에 접속된다.
스템(40)은, 상술한 제 1~제 3 블록(1, 10, 20)을 지지한다. 레이저 광원 모듈(50)에서는, 스템(40)의 주면(40a)상에 제 2 블록(10)만이 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있고, 제 1 블록(1)은 제 2 블록(10)에, 또한 제 3 블록(20)은 제 1 블록(1)에 고정되어 있다.
구체적으로는, 각각의 블록(1, 10, 20)이 윗면(1a, 11a, 21a)을 같은 방향으로 향하고, 반도체 레이저 소자(13)로부터 출사된 여기광이 레이저 발진부(3)의 광 도파로에 입사하고, 또한 레이저 발진부(3)에서 발진된 기본파 레이저광이 파장 변환 소자(24)의 광 도파로에 입사하도록 고정되어 있다. 제 2 블록(10)의 측면 중에서 반도체 레이저 소자(13)의 광축과 직교하는 2개의 측면의 한쪽이 접합재(도시하지 않음)에 의해 스템(40)의 주면(40a)에 접합되고, 다른 쪽의 측면에 제 1 블록(1)의 측면 중에서 레이저 발진부(3)의 광축과 직교하는 2개의 측면의 한쪽이 접합재(도시하지 않음)에 의해 접합되어 있다. 또한, 제 1 블록(1)의 측면 중에서 레이저 발진부(3)의 광축과 직교하는 2개의 측면의 다른 쪽에는, 제 3 블록(20)의 측면 중에서 파장 변환 소자(24)의 광축과 직교하는 2개의 측면의 한쪽이 접합재(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다. 반도체 레이저 소자(13)와 레이저 발진부(3) 사이에는 예컨대 수 십 ㎛ 정도의 간극이 마련되고, 레이저 발진부(3)와 파장 변환 소자(24) 사이에도 예컨대 수 십 ㎛ 정도의 간극이 마련되어 있다.
또, 레이저 발진부(3)의 광축이란, 그 레이저 발진부(3)에 형성되어 있는 각 광 도파로(3a)의 광축을 의미하고, 파장 변환 소자(24)의 광축이란, 그 파장 변환 소자(24)에 형성되어 있는 각 광 도파로(24a)의 광축을 의미한다. 반도체 레이저 소자(13)의 광 출사단은 레이저 발진부(3) 쪽에 있고, 레이저 발진부(3)의 광 출사단은 파장 변환 소자(24) 쪽에 있다.
이러한 구조를 갖는 레이저 광원 모듈(50)에서는, 레이저 발진부(3)에서의 각 광 도파로(3a)의 광 입사단 및 파장 변환 소자(24)에서의 각 광 도파로(24a)의 광 입사단에 공진기 미러로서 기능하는 광학 박막(도시하지 않음)이 마련되어 있고, 이들 광학 박막에 의해 레이저 공진기가 형성된다. 이 레이저 공진기와 레이저 발진부(3)에서의 각 광 도파로에 의해 고체 레이저 소자 SL이 구성된다. 반도체 레이저 소자(13) 중 각 레이저 발진기에 의해 여기광이 발진되면, 이들 여기광이 레이저 발진부(3)의 각 광 도파로(3a)에 입사되어, 각각의 광 도파로(3a)로부터 기본파 레이저광이 발진된다. 이들 기본파 레이저광은 레이저 공진기 내에서 반사를 반복하여 증폭되고, 각각의 기본파 레이저광의 일부가 파장 변환 소자(24)의 소정의 광 도파로(24a)에 입사되어 파장 변환되고, 예컨대 제 2 고조파가 되어 파장 변환 소자(24)로부터 출사된다. 도 2에 있어서는, 레이저 광원 모듈(50)로부터 발진되는 레이저광 LB를 2점쇄선으로 그리고 있다.
물론, 레이저 광원 모듈(50)의 사용시에는, 반도체 레이저 소자(13), 제 1 히터(15), 및 각 제 2 히터(26a, 26b)가 외부 회로에 접속된다. 제 1 온도 센서(14) 및 제 2 온도 센서(25)의 각각으로서 서미스터를 이용한 경우에는, 이들 제 1 온도 센서(14) 및 제 2 온도 센서(25)의 각각도 외부 회로에 접속된다. 그 때문에, 스템(40)에는 소정수의 리드 핀(lead pin)이 장착되고, 이들 리드 핀과 서브마운트(12)에 형성되어 있는 구동 회로 패턴, 제 1 히터(15), 기판(22)에 형성되어 있는 구동 회로 패턴, 및 각 제 2 히터(26a, 26b)가 접속된다. 그리고, 스템(40)의 외부에는 펠티에 소자, 열 파이프, 팬 등의 냉각 장치가 배치된다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈의 사용 형태의 일례를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도시한 예에서는, 스템(40)에 4개의 리드 핀 LP1, LP2, LP3, LP4가 장착되고, 이들 리드 핀 LP1, LP2, LP3, LP4와 서브마운트(12)에 형성되어 있는 구동 회로 패턴(도시하지 않음)의 소정 부분이 금속 리본 R1, R2, R3, R4에 의해 서로 접속되어 있다. 또한, 상기 구동 회로 패턴과 반도체 레이저 소자(13)가 복수의 금속 세선 W에 의해 서로 접속되어 있다.
도시를 생략하고 있지만, 스템(40)에는 상기 리드 핀 LP1, LP2, LP3, LP4 이외에도 복수의 리드 핀이 장착되어 있고, 이들 리드 핀에 제 1 온도 센서(14)의 구동 회로 패턴(도시하지 않음), 제 1 히터(15)(도 1 참조), 제 2 온도 센서(25)의 구동 회로 패턴(도시하지 않음), 및 각 제 2 히터(26a, 26b)의 구동 회로 패턴(도시하지 않음)이 접속되어 있다.
또한, 스템(40)의 이면(40b), 즉 제 2 블록(10)이 고정되어 있는 주면(40a)과는 반대쪽의 주면에는, 냉각 장치로서 펠티에 소자(60)가 고정되어 있고, 펠티에 소자(60)의 근방에는 그 펠티에 소자(60)의 소자 온도를 검지하는 제 3 온도 센서(65)가 배치되어 있다. 스템(40)에 장착되어 있는 각 리드 핀, 펠티에 소자(60), 및 제 3 온도 센서(65)는, 각각, 소정의 외부 회로(도시하지 않음)에 접속된다. 레이저 광원 모듈(50)은, 펠티에 소자(60)에 의해 스템(40) 및 열 싱크(30)가 냉각되고, 제 1 히터(15)에 의해 반도체 레이저 소자(13)가 가열되고, 각 제 2 히터(26a, 26b)에 의해 파장 변환 소자(24)가 가열된 상태로 동작하여, 상술한 레이저광 LB(도 2 참조)를 발진시킨다.
이렇게 하여 사용되는 레이저 광원 모듈(50)에서는, 제 1 블록(1), 제 2 블록(10), 및 제 3 블록(20)의 총 3개의 블록 중 제 2 블록(10)만이 스템(40)에 고정되므로, 각 블록(1, 10, 20)을 스템(40)에 직접 고정하는 경우에 비하여, 제 2 블록(10)에 대한 제 1 블록(1)의 상대 위치, 및 제 2 블록(10)에 대한 제 3 블록(20)의 상대 위치를 각각 조정하기 쉽다. 또한, 온도 변화에 기인하는 각 블록(1, 10, 20) 사이의 상대 위치의 어긋남을 억제하기 쉽다. 이로부터, 레이저 광원 모듈(50)에서는, 레이저 발진부(3), 반도체 레이저 소자(13), 및 파장 변환 소자(24) 각각의 위치 정밀도가 높고, 이들의 광축의 얼라인먼트 정밀도가 높은 것을 얻기 쉽다.
또한, 제 2 블록(10) 및 제 3 블록(20)이 제 1 히터(15) 또는 제 2 히터(26a, 26b)를 갖고 있고, 제 1~제 3 블록(1, 10, 20)의 각각이 열 싱크(30)를 구성하고 있으므로, 모듈 내에 냉각 장치를 배치하지 않더라도, 제 1 히터(15), 각 제 2 히터(26a, 26b), 및 모듈의 외부에 배치한 냉각 장치(펠티에 소자(60))에 의해, 레이저 발진부(3), 반도체 레이저 소자(13), 및 파장 변환 소자(24) 각각의 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 그 레이저 광원 모듈(50)에서는 소형화를 도모하는 것도 용이하다.
그리고, 제 1 히터(15) 이외의 부품이 제 1~제 3 블록(1, 10, 20)의 윗면(1a, 10a, 20a)에 배치되므로, 레이저 광원 모듈(50)을 제조할 때에는 작업 전환의 시간이 줄어들고, 또한 부품 사이의 배선 작업이나 블록 사이의 배선 작업이 용이하다. 이 때문에, 그 레이저 광원 모듈(50)에서는 그 생산성을 높이기 쉽다.
레이저 광원 모듈(50)의 광출력을 높인다고 하는 관점에서는, 반도체 레이저 소자(13) 및 파장 변환 소자(24)의 소자 온도를 각각 최적 동작 온도로 하여 그 레이저 광원 모듈(50)을 동작시키는 것이 바람직하다. 반도체 레이저 소자(13)의 최적 동작 온도는, 그 반도체 레이저 소자(13)의 발진 파장이나 출력 강도 등에 의해 미리 대략 고정되어 있어, 변경 가능한 여지는 적지만, 파장 변환 소자(24)의 최적 동작 온도는, 주기 분극 반전 구조를 갖는 비선형 광학 결정에 의해 그 파장 변환 소자(24)의 파장 변환부(각 광 도파로(24a); 도 1 참조)가 형성되어 있으므로, 상기 주기 분극 반전 구조를 적절히 설계함으로써 비교적 자유롭게 변경할 수 있다.
따라서, 레이저 광원 모듈(50)에 있어서는, 그 레이저 광원 모듈(50)을 구성하는 각 부재와 펠티에 소자(60) 등의 냉각 장치 사이의 열수송 경로에서의 열저항을 고려하여 파장 변환 소자(24)의 최적 동작 온도를 선정하고, 그 최적 동작 온도의 파장 변환 소자(24)를 이용하는 것이 바람직하다. 이하, 도 4를 참조하여, 파장 변환 소자(24)의 최적 동작 온도의 선정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 레이저 광원 모듈을 구성하는 각 부재와 도 3에 나타낸 냉각 장치(펠티에 소자) 사이의 열수송 경로를 나타내는 개략도이다. 동 도면에 있어서는, 레이저 광원 모듈(50)에서 이용되고 있는 각 접합재의 열저항을 생략하고 있다. 도 4에 나타내는 구성 요소 중 도 3에 나타낸 구성 요소와 공통되는 것에 대해서는, 도 3에서 이용한 참조 부호와 같은 참조 부호를 붙여 그 설명을 생략한다. 또, 도 4 중 참조 부호 「R1」은 제 1 블록(1)의 열저항을 나타내고, 「R10」은 제 2 블록(10)의 열저항을 나타내고, 「R20」은 제 3 블록(20)의 열저항을 나타내고, 「R40」은 스템(40)의 열저항을 나타낸다. 또한, 참조 부호 「R12」는 서브마운트(12)의 열저항을 나타내고, 「R22」는 기판(22)의 열저항을 나타내고, 「R23」은 균열판(23)의 열저항을 나타낸다.
도 4로부터 분명하듯이, 레이저 광원 모듈(50)에서 이용되고 있는 각 접합재의 열저항을 무시한 경우, 제 1 히터(15)가 동작하지 않고 있을 때의 반도체 레이저 소자(13)로부터 펠티에 소자(60)까지의 열수송 경로의 열저항치 Ra는, 아래 식 (Ⅰ)에 의해 나타낼 수 있다. 이때, 반도체 레이저 소자(13)의 발열량을 Pa, 펠티에 소자(60)의 소자 온도를 Tc라고 하면, 반도체 레이저 소자(13)의 소자 온도 Ta는 아래 식 (Ⅱ)에 의해 나타낼 수 있다.
한편, 레이저 광원 모듈(50)에서 이용되고 있는 각 접합재의 열저항을 무시한 경우, 제 1 히터(15) 및 각 제 2 히터(26a, 26b)가 각각 동작하지 않고 있을 때의 파장 변환 소자(24)로부터 펠티에 소자(60)까지의 열수송 경로의 열저항치 Rb는, 아래 식 (Ⅲ)에 의해 나타낼 수 있다. 이때, 파장 변환 소자(24)의 발열량을 Pb, 펠티에 소자(60)의 소자 온도를 Tc라고 하면, 파장 변환 소자(24)의 소자 온도 Tb는 아래 식 (Ⅳ)에 의해 나타낼 수 있다.
상기 (Ⅱ) 식 및 (Ⅳ) 식으로부터, 제 1 히터(15) 및 각 제 2 히터(26a, 26b)가 각각 동작하지 않고 있을 때의 파장 변환 소자(24)의 소자 온도 Tb는, 외기온에 의존하지 않고 아래 식 (Ⅴ)로 나타낼 수 있다.
따라서, 상기 (Ⅴ) 식에서의 「Ta」를 반도체 레이저 소자(13)의 최적 동작 온도로 했을 때에 그 식 (Ⅴ)에 의해 구하는 「Tb」의 값의 근방에서, 그 「Tb」보다 낮은 온도가 되도록 파장 변환 소자(24)의 위상 정합 온도, 즉 최적 동작 온도를 선정하여 그 최적 동작 온도의 파장 변환 소자(24)를 레이저 광원 모듈(50)에 이용하면, 파장 변환 소자(24)를 최적 동작 온도로 유지하는 것이 용이해진다. 파장 변환 소자(24)의 위상 정합 온도를 상기의 온도 「Tb」로부터 어느 정도 구분 지을지는, 레이저 광원 모듈(50)에 이용되는 각 제 2 히터(26a, 26b)의 성능, 레이저 광원 모듈(50)에 요구되는 출력 강도, 레이저 광원 모듈(50)에서 허용되는 소비 전력 등을 고려하여 적절히 선정된다.
반도체 레이저 소자(13) 및 파장 변환 소자(24) 각각의 온도를 제어함에 있어서는, 제 1 온도 센서(14) 및 제 2 온도 센서(25) 각각의 검지 결과와, 펠티에 소자(60)의 근방에 배치되어 그 펠티에 소자(60)의 온도를 검지하는 제 3 온도 센서(65)(도 3 참조)의 검지 결과와, 상기 각 열저항을 고려하여, 제 1 히터(15), 각 제 2 히터(26a, 26b), 및 펠티에 소자(60) 각각의 동작 조건이 선정된다. 파장 변환 소자(24)의 최적 동작 온도가 상술한 바와 같이 선정되어 있으면, 각 제 2 히터(26a, 26b)로서 출력이 작은 것을 이용하더라도, 또한 파장 변환 소자(24)의 근방에 전용 냉각 장치를 마련하지 않더라도, 반도체 레이저 소자(13) 및 파장 변환 소자(24)의 각각을 최적 동작 온도로 용이하게 유지할 수 있다. 레이저 광원 모듈(50)을 사용할 때의 소비 전력을 억제할 수 있다.
(실시의 형태 2)
본 발명의 레이저 광원 모듈에 있어서는, 파장 변환 소자가 탑재되는 제 3 블록의 아랫면에, 파장 변환 소자를 가열하는 제 2 히터를 탑재할 수도 있다. 이 경우의 제 2 히터의 총수는, 1 이상의 소망수로 할 수 있다.
도 5는 제 3 블록의 아랫면에 제 2 히터가 탑재된 레이저 광원 모듈의 일례를 개략적으로 나타내는 측면도이며, 도 6은 도 5에 나타낸 레이저 광원 모듈을 개략적으로 나타내는 평면도이다. 이들 도면에 나타내는 레이저 광원 모듈(150)은, 도 1 또는 도 2에 나타낸 제 3 블록(20) 대신에 제 3 블록(120)을 갖는 열 싱크(130)를 구비하고 있다고 하는 점을 제외하고, 도 1 또는 도 2에 나타낸 레이저 광원 모듈(50)과 같은 구성을 갖고 있다. 도 5 또는 도 6에 나타낸 구성 요소 중 도 1 또는 도 2에 나타낸 구성 요소와 공통하는 것에 대해서는, 도 1 또는 도 2에서 이용한 참조 부호와 같은 참조 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도시한 레이저 광원 모듈(150)에서는, 제 3 블록(120)의 아랫면(120b)에 하나의 제 2 히터(126)가 탑재되어 있다. 제 3 블록(120)의 윗면(120a)에 히터는 탑재되어 있지 않고, 그 때문에, 그 제 3 블록(120)은 도 1 또는 도 2에 나타낸 제 3 블록(20)에 비하여 소형화되어 있다. 제 3 블록(120)의 윗면(120a)에 고정되어 있는 기판(122)에 대해서도 같다. 파장 변환 소자(24)는, 제 3 블록(120), 기판(122), 및 균열판(23)을 사이에 두고 제 2 히터(126)에 의해 가열된다.
이와 같이 구성된 레이저 광원 모듈(150)은, 실시의 형태 1에서 설명한 레이저 광원 모듈(50)과 같은 기술적 효과를 나타낸다. 또한, 실시의 형태 1에서 설명한 레이저 광원 모듈(50)보다 더 소형화를 도모할 수 있다.
이상, 본 발명의 레이저 광원 모듈에 대하여 실시의 형태를 들어 설명했지만, 상술한 바와 같이, 본 발명은 상술한 형태에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 반도체 레이저 소자를 가열하는 제 1 히터는, 제 1 블록의 윗면에 탑재해도 좋다. 제 1 히터를 제 1 블록의 윗면에 탑재하면, 제 1~제 3 블록에 탑재되는 모든 부품을 동일 방향으로부터 실장하는 것이 가능해지므로, 실장성이 향상된다. 단, 제 1 히터를 탑재하기 위한 면적을 제 1 블록의 윗면에 확보하는 것이 필요하게 되므로, 제 1 히터를 제 1 블록의 아랫면에 탑재하는 경우에 비하여, 레이저 광원 모듈이 대형화된다.
스템에는, 필요에 따라 열 싱크로서의 기능을 부여할 수 있다. 예컨대 스템에 열 싱크 형성용 관통 구멍을 형성하고, 이 관통 구멍에 구리계 재료 등의 열전도율이 높은 금속 재료나 합금 재료를 압입(壓入)함으로써, 열 싱크로서의 기능이 부여된 스템을 얻을 수 있다.
또한, 열 싱크를 구성하는 제 1 블록에서의 제 2 블록 쪽의 측면, 및 제 2 블록에서의 제 1 블록 쪽의 측면은, 제 1 블록의 윗면과 제 2 블록의 윗면을 동일 평면상에 위치시키거나, 또는 서로 평행으로 하는 것이 용이하면, 레이저 발진부의 광축 또는 반도체 레이저 소자의 광축과 직교하지 않고서 소정의 각도로 경사하고 있더라도 좋다. 마찬가지로, 제 1 블록에서의 제 3 블록 쪽의 측면, 및 제 3 블록에서의 제 1 블록 쪽의 측면은, 제 1 블록의 윗면과 제 3 블록의 윗면을 동일 평면상에 위치시키거나, 또는 서로 평행으로 하는 것이 용이하면, 레이저 발진부의 광축 또는 파장 변환 소자의 광축과 직교하지 않고서 소정의 각도로 경사하고 있더라도 좋다.
열 싱크를 스템에 지지시킴에 있어서는, 제 2 블록을 그 제 2 블록의 바닥면으로 스템에 고정하고, 제 2 블록의 측면에 제 1 블록을 고정하고, 그 제 1 블록의 측면에 제 3 블록을 고정해도 좋다. 본 발명의 레이저 광원 모듈에 대해서는, 상술한 것 이외에도 여러 가지의 변형, 수식, 조합 등이 가능하다.
(산업상이용가능성)
본 발명의 레이저 광원 모듈은, 레이저 텔레비전 등의 표시 장치나 레이저 프린터 등의 인쇄 장치 등의 광원을 구성하는 모듈로서 이용할 수 있다.
1 : 제 1 블록
1a : 제 1 블록의 윗면
3 : 레이저 발진부
10 : 제 2 블록
10a : 제 2 블록의 윗면
10b : 제 2 블록의 아랫면
12 : 서브마운트
13 : 여기 광원(반도체 레이저 소자)
14 : 제 1 온도 센서
15 : 제 1 히터
20, 120 : 제 3 블록
20a, 120a : 제 3 블록의 윗면
120b : 제 3 블록의 아랫면
22, 122 : 기판
23 : 열확산판
24 : 파장 변환 소자
24a : 광 도파로(파장 변환부)
25 : 제 2 온도 센서
26a, 26b, 126 : 제 2 히터
30, 130 열 싱크
40 : 스템
50, 150 : 레이저 광원 모듈
60 ; 냉각 장치(펠티에 소자)
SL : 고체 레이저 소자
LB : 레이저광
1a : 제 1 블록의 윗면
3 : 레이저 발진부
10 : 제 2 블록
10a : 제 2 블록의 윗면
10b : 제 2 블록의 아랫면
12 : 서브마운트
13 : 여기 광원(반도체 레이저 소자)
14 : 제 1 온도 센서
15 : 제 1 히터
20, 120 : 제 3 블록
20a, 120a : 제 3 블록의 윗면
120b : 제 3 블록의 아랫면
22, 122 : 기판
23 : 열확산판
24 : 파장 변환 소자
24a : 광 도파로(파장 변환부)
25 : 제 2 온도 센서
26a, 26b, 126 : 제 2 히터
30, 130 열 싱크
40 : 스템
50, 150 : 레이저 광원 모듈
60 ; 냉각 장치(펠티에 소자)
SL : 고체 레이저 소자
LB : 레이저광
Claims (6)
- 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저 소자와,
그 고체 레이저 소자를 여기하는 여기 광원과,
상기 고체 레이저 소자가 발진시킨 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자가 탑재된 열 싱크와,
그 열 싱크를 지지하는 스템
을 구비하고,
상기 열 싱크는, 기본파 레이저광을 발진시키는 고체 레이저 소자용 레이저 발진부가 윗면에 탑재된 제 1 블록과, 상기 레이저 발진부용 여기광을 출사하는 반도체 레이저 소자와 제 1 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 1 히터가 탑재된 제 2 블록과, 상기 레이저 발진부가 발진시킨 기본파 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자와 제 2 온도 센서가 윗면에 탑재되고, 소정의 면에 제 2 히터가 탑재된 제 3 블록의 3개의 블록으로 분할되어 있고,
상기 제 2 블록만이 그 제 2 블록의 측면 또는 바닥면에서 상기 스템에 고정되고, 상기 제 2 블록의 다른 측면에 상기 제 1 블록이 고정되고, 그 제 1 블록의 측면에 상기 제 3 블록이 고정되어 있는 것
을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 레이저 소자는, 상기 제 2 블록의 윗면에 고정된 서브마운트에 탑재되고,
상기 제 1 온도 센서는 상기 서브마운트에 탑재되어 있는 것
을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 히터는 상기 제 2 블록의 아랫면에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 파장 변환 소자는, 상기 제 3 블록의 윗면에 고정된 기판상에 열확산판을 사이에 두고 탑재되고,
상기 제 2 온도 센서 및 상기 제 2 히터는 상기 기판에 탑재되어 있는 것
을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 히터는 상기 제 3 블록의 아랫면에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 파장 변환 소자는, 주기 분극 구조를 갖는 비선형 광학 재료에 의해 형성된 파장 변환부를 갖고,
상기 반도체 레이저 소자의 최적 동작 온도를 Ta, 발열량을 Pa로 하고, 상기 파장 변환 소자의 발열량을 Pb로 하고, 상기 반도체 레이저 소자로부터 상기 스템의 이면에 달하는 열전달 경로에서의 열저항을 Ra로 하고, 상기 파장 변환 소자로부터 상기 스템의 이면에 달하는 열수송 경로에서의 열저항을 Rb로 했을 때에, 상기 파장 변환 소자의 위상 정합 온도가 아래 식 (ⅰ)
로 표시되는 온도 Tb의 근방에서, 그 온도 Tb보다 낮은 온도로 설정되어 있는 것
을 특징으로 하는 레이저 광원 모듈.
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