WO2022059416A1 - 量子カスケードレーザモジュール - Google Patents

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WO2022059416A1
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lens holding
lens
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直大 秋草
龍男 道垣内
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a quantum cascade laser module.
  • Patent Document 1 discloses a configuration including an LED unit (LED substrate and LED package), an illumination unit (lens group), and a cooling fan.
  • LED unit LED substrate and LED package
  • illumination unit illumination unit
  • Patent Document 2 discloses a configuration in which a light source module, a lens holder, and a cooling fan are fixed to the light source holder.
  • the light source module and the lens holder are separately fixed to the light source holder.
  • a quantum cascade laser (hereinafter referred to as "QCL") may be used as the light source of the module as described above.
  • a module equipped with a QCL is used, for example, for measuring the concentration of a gas.
  • a gas cell in which the gas to be measured is sealed is placed between the module and the photodetector, the laser light emitted from the module is passed through the gas cell, and the laser light after passing through the gas cell is transmitted.
  • the concentration of gas in the gas cell (absorbance of laser light) can be measured.
  • the QCL has excellent monochromaticity (that is, excellent wavelength resolution), it can be suitably used for gas concentration measurement as described above.
  • optical noise is generated in principle due to the excellent monochromaticity as described above. More specifically, fringe noise (interference noise) is generated by an interference component between the emission end surface of the QCL and the interface of the lens provided in the module.
  • the optical noise can be treated as an invariant, so that the optical noise can be calculated in the background. Can be removed by.
  • the module includes a cooling fan as described above, there is a possibility that a deviation may occur between the vibration of the QCL and the vibration of the lens due to the vibration of the cooling fan.
  • the light source and the lens are separately fixed to the base member (that is, the base in Patent Document 1 and the light source holder in Patent Document 2) as in the configuration described in Patent Documents 1 and 2, QCL.
  • the vibration of the lens and the vibration of the lens do not have the same phase, and the positional relationship between the QCL and the lens (that is, the optical path length) tends to fluctuate with time.
  • the optical noise cannot be treated as an invariant. That is, the optical noise cannot be removed by the background calculation. Therefore, the sensitivity (detection limit) in the measurement as described above is limited.
  • one aspect of the present disclosure is to provide a quantum cascade laser module capable of reducing optical noise due to temporal fluctuations in optical conditions in a configuration provided with a cooling fan.
  • the quantum cascade laser module includes a package provided with a window material that accommodates the quantum cascade laser element and takes out the laser light emitted from the quantum cascade laser element to the outside, and is emitted from the window material.
  • a lens holding member that holds the lens to which the laser beam is incident, a cooling fan that cools the package, and a base that holds the package, the lens holding member, and the cooling fan are provided, and the package and the lens holding member have a common axis. It is fastened together with the base by the member.
  • the quantum cascade laser module is equipped with a cooling fan to cool the package. According to such a configuration, it is possible to reduce the size and simplification of the module as compared with the case where a cooling mechanism of another method (for example, a water cooling method) is provided. Further, in the quantum cascade laser module, the package which is a light source and the lens holding member are co-tightened to the base by a common shaft member. That is, the package and the lens holding member are integrally fixed by a common shaft member. As a result, the vibration pattern caused by the vibration of the cooling fan is shared between the package and the lens held by the lens holding member.
  • a cooling mechanism of another method for example, a water cooling method
  • the package may be arranged between the base and the lens holding member so that the window material faces the lens, and the package and the lens holding member are formed by fastening the lens holding member to the base. It may be tightened together with the lens.
  • the lens holding member and the package can be integrally fixed to the base by sandwiching the package between the lens holding member and the base.
  • a spacer may be further provided between the lens holding member and the base, and the package may have a flange that abuts on the base and extends along the base, where the spacer is the base of the lens holding member.
  • the flange may have a first flange and a second flange formed on both sides of the window material, and the spacer may have a surface on the base side of the lens holding member and a surface on the lens holding member side of the first flange. It may have a first spacer arranged between the two spacers and a second spacer arranged between the base side surface of the lens holding member and the lens holding member side surface of the second flange.
  • Each of the lens holding member, the spacer, the flange, and the base may be formed with an insertion hole through which the shaft member is inserted, and is inserted into each of the insertion holes of the lens holding member, the spacer, the flange, and the base.
  • the lens holding member, the spacer, and the flange may be fastened together to the base.
  • the lens holding member, the spacer, and the flange are integrally and firmly fixed to the base by passing the shaft member through the lens holding member, the spacer, and the flange and inserting the shaft member into the insertion hole of the base. be able to. This makes it possible to effectively suppress fluctuations in the relative positional relationship between the package and the lens holding member.
  • Each of the lens holding member and the base may be formed with an insertion hole through which the shaft member is inserted, and the lens holding member and the base may have a spacer and a flange arranged between the lens holding member and the base.
  • the lens holding member, the spacer, and the flange may be co-tightened to the base by fastening the lens holding member to the base by the shaft member inserted into each of the insertion holes.
  • the shaft member is passed through the lens holding member and inserted into the insertion hole of the base, and the spacer and the flange arranged between the lens holding member and the base are sandwiched between the lens holding member, the spacer, and the lens holding member.
  • the flange can be integrally and firmly fixed to the base. This makes it possible to effectively suppress fluctuations in the relative positional relationship between the package and the lens holding member.
  • the spacer may be made of a material having a lower thermal conductivity than the base. As a result, the heat generated in the package can be efficiently dissipated to the base side instead of the spacer side.
  • a quantum cascade laser module capable of reducing optical noise due to temporal fluctuations in optical conditions in a configuration including a cooling fan.
  • the quantum cascade laser module 1 (hereinafter referred to as “QCL module 1”) has, as main components, a package 2 which is a light source and a laser beam emitted from the package 2. It has a lens holding member 4 for holding the lens 3 to which the light source is incident, a cooling fan 5 for cooling the package 2, and a base 6 for holding the package 2, the lens holding member 4, and the cooling fan 5.
  • the optical axis direction of the laser beam emitted from the package 2 is referred to as the Z-axis direction
  • the two directions orthogonal to the Z-axis direction and orthogonal to each other are referred to as the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • Package 2 is a high heat load (HHL: High Heat Load) package type quantum cascade laser (QCL: Quantum Cascade Laser).
  • Package 2 contains, for example, a quantum cascade laser device (hereinafter referred to as “QCL device”) that generates light in a mid-infrared wavelength region (for example, a wavelength of 5 to 30 ⁇ m).
  • the package 2 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • Package 2 has a first surface 21 on one side in the Z-axis direction and a second surface 22 on the opposite side of the first surface 21.
  • the first surface 21 is a surface facing the lens holding member 4.
  • a window material 23 for taking out the laser beam emitted from the QCL element to the outside is provided in the substantially central portion of the first surface 21.
  • the material of the window material 23 is, for example, zinc selenium (ZnSe), germanium (Ge), or the like.
  • the second surface 22 is a surface facing the base 6 and is in contact with the base 6. The second surface 22 is made larger than the first surface 21 by the amount of the flanges 24A and 24B described later.
  • the package 2 is arranged between the base 6 and the lens holding member 4 so that the window material 23 faces the lens 3.
  • a pair of flanges 24 are provided on the edge of the package 2 on the second surface 22 side.
  • the flange 24A (first flange) and the flange 24B (second flange) are provided at both ends of the package 2 in the X-axis direction. More specifically, the flange 24A and the flange 24B are located on opposite sides of each other in the X-axis direction. That is, the flange 24A and the flange 24B are formed on both sides of the window material 23 in the X-axis direction.
  • the flange 24A and the flange 24B are formed in a rectangular plate shape extending along the Y-axis direction, and project in the X-axis direction from the side surface 25 of the package 2 intersecting the X-axis direction.
  • the second surface 22 of the flange 24A and the flange 24B is continuous with the second surface 22 of the portion other than the flanges 24A and 24B, and is in contact with the base 6 (specifically, the bottom wall 61 described later) and is attached to the base 6. It extends along.
  • a plurality of (nine in this embodiment) lead pins 27 for supplying electric power to components such as QCL elements housed in the package 2 from the outside are provided. It has been inserted.
  • the lens holding member 4 is arranged at a position facing the first surface 21 of the package 2.
  • the lens holding member 4 may be composed of a plurality of parts.
  • the lens holding member 4 mainly has a sub-base 41, a lens holder 42, a lens cylinder 43, a lens holding ring 44, and a lens protection ring 45.
  • the lens holder 42 is a cross-moving holder that is movable in each of the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • An opening 42a penetrating in the Z-axis direction is provided at the center of the lens holder 42.
  • the lens cylinder 43 is inserted into the opening 42a.
  • the lens cylinder 43 is a cylindrical member that houses the lens 3.
  • a male screw is formed on the outer peripheral surface of the lens cylinder 43.
  • a female screw corresponding to the male screw is formed on the inner surface of the opening 42a of the lens holder 42. This makes it possible to insert the lens holder 42 into the opening 42a while rotating the lens cylinder 43. Further, by adjusting the rotation amount of the lens cylinder 43 with respect to the lens holder 42, it is possible to adjust the position (that is, the insertion amount) of the lens cylinder 43 with respect to the lens holder 42 in the Z-axis direction.
  • An O-ring may be arranged at the fitting portion of the lens cylinder 43 so that resistance is applied when the lens cylinder 43 is slid with respect to the lens holder 42 (that is, so as not to loosen).
  • the lens 3, the lens holding ring 44, and the lens protection ring 45 are stored in the lens cylinder 43 in this order.
  • the lens holding ring 44 is a member for fixing the lens 3 to the inner side in the lens cylinder 43 via the lens protection ring 45.
  • the lens protection ring 45 is a member arranged between the lens 3 and the lens holding ring 44 in order to prevent damage to the surface of the lens 3 due to contact of the lens holding ring 44 with the surface of the lens 3. be.
  • the lens protection ring 45 is made of, for example, a resin material such as Teflon (registered trademark).
  • the sub-base 41 is a plate-shaped member arranged between the lens holder 42 and the package 2.
  • the sub-base 41 has a first surface 411 facing the lens holder 42, and a second surface 412 facing the package 2 and facing the surface opposite to the first surface 411.
  • the material of the sub-base 41 is, for example, aluminum or the like.
  • the lens holder 42 described above is attached to the first surface 411 of the sub-base 41. More specifically, at the four corners of the lens holder 42 viewed from the Z-axis direction, insertion holes 42b through which a support rod 46 for fixing the lens holder 42 to the sub-base 41 is inserted are provided. Each insertion hole 42b extends in the Z-axis direction. A hole that communicates with the insertion hole 42b is formed in a part of the wall portion that forms each insertion hole 42b, and a retaining screw 47 for fixing the support rod 46 to the lens holder 42 is formed in the hole portion. It is inserted in. The tip end portion (end portion on the sub-base 41 side) of the support rod 46 is fixed to the first surface 411 of the sub-base 41.
  • a screw groove is formed at the tip of each support rod 46, and four screw holes 411a are formed at each position corresponding to each support rod 46 on the first surface 411 of the sub-base 41.
  • the lens holder 42 is fixed to the sub-base 41 via the support rod 46 by screwing the tip end portion of the support rod 46 into the screw hole 411a.
  • the lens holding member 4 is configured by integrally coupling the sub-base 41 and the lens holder 42 in this way.
  • a circular through hole 413 penetrating from the first surface 411 to the second surface 412 is formed in the central portion of the sub-base 41 seen from the Z-axis direction.
  • the tip of the lens cylinder 43 is inserted into the through hole 413 and protrudes toward the package 2 from the second surface 412 (see FIG. 3).
  • the base 6 is a plate-shaped member formed in an L shape.
  • the base 6 has a bottom wall 61 facing the second surface 22 of the package 2 and a side wall 62 erected along the Z-axis direction from one end of the bottom wall 61 in the Y-axis direction.
  • the material of the base 6 is, for example, aluminum, copper and the like.
  • the bottom wall 61 is a rectangular plate-shaped portion extending parallel to the XY plane.
  • the bottom wall 61 has a first surface 611 facing the package 2 and a second surface 612 opposite to the first surface 611 and facing the cooling fan 5. That is, the package 2 and the lens holding member 4 are arranged on the first surface 611 side of the bottom wall 61, and the cooling fan 5 is arranged on the second surface 612 side of the bottom wall 61.
  • the side wall 62 is a rectangular plate-shaped portion extending parallel to the XZ plane.
  • the side wall 62 extends to the side opposite to the side on which the package 2 is arranged with respect to the bottom wall 61, and covers the side of the heat sink 7, which will be described later.
  • the side wall 62 has an insertion hole 621 (a fixing portion for fixing the QCL module to an object to be fixed) through which a rod member for fixing the QCL module 1 to a laboratory table or the like is inserted.
  • a counterbore hole 622 communicating with the insertion hole 621 is formed.
  • the cooling fan 5 is a mechanism for forcibly air-cooling the heat generated in the package 2 (mainly the heat generated from the QCL element in the package 2).
  • the cooling fan 5 is fixed to the second surface 612 of the bottom wall 61 via the heat sink 7.
  • the heat sink 7 has a flat plate portion 71 that abuts on the second surface 612, and a plurality of heat radiation fins 72 formed on the surface of the flat plate portion 71 opposite to the bottom wall 61 (in this embodiment, they are arranged in a grid pattern). It has a plurality of rod-shaped members).
  • a finger guard 8 is arranged on the opposite side of the cooling fan 5 from the heat sink 7 for safety (that is, to prevent human fingers or the like from entering the cooling fan 5). That is, the heat sink 7, the cooling fan 5, and the finger guard 8 are arranged in this order from the side of the bottom wall 61 close to the second surface 612.
  • the heat sink 7, the cooling fan 5, and the finger guard 8 are jointly fastened to the bottom wall 61 by a plurality of (four in this embodiment) screws 9. More specifically, the insertion holes 71a, 5a, and 8a for inserting the screws 9 are inserted into the four corners of the heat sink 7 (flat plate portion 71), the cooling fan 5, and the finger guard 8 when viewed from the Z-axis direction. Is provided, and a screw hole 612a (see FIGS. 3 and 4) is formed in the second surface 612 of the bottom wall 61.
  • Each screw 9 is inserted into the insertion hole 71a of the heat sink 7, the insertion hole 5a of the cooling fan 5, and the insertion hole 8a of the finger guard 8, and is screwed into the screw hole 612a of the bottom wall 61.
  • the cooling fan 5 and the finger guard 8 are integrally fixed to the bottom wall 61.
  • thermal paste may be applied between the second surface 22 of the package 2 and the first surface 611 of the bottom wall 61. ..
  • thermal paste may be applied between the second surface 612 of the bottom wall 61 and the flat plate portion 71 of the heat sink 7.
  • the spacer 10 is arranged between the sub-base 41 and the base 6.
  • the spacer 10 is arranged between the second surface 412 (the surface on the base 6 side) of the sub base 41 and the upper surface 24a (the surface on the sub base 41 side) of the flange 24.
  • the spacer 10 has a spacer 10A (first spacer) corresponding to the flange 24A and a spacer 10B (second spacer) corresponding to the flange 24B.
  • the spacer 10A is arranged between the second surface 412 of the sub base 41 and the upper surface 24a of the flange 24A, and the spacer 10B is located between the second surface 412 of the sub base 41 and the upper surface 24a of the flange 24B. Is located in. That is, the spacers 10A and 10B are arranged on both sides of the window material 23 in the X-axis direction. Each of the spacers 10A and 10B is formed in the shape of a rectangular plate.
  • the spacers 10A and 10B extend in the Y-axis direction (that is, in the direction in which the spacers 10A and 10B face each other (X-axis direction) and in the direction intersecting the Z-axis direction with the window material 23 interposed therebetween). It is a long member (that is, a member having a constant width along the Y-axis direction). Since the spacers 10A and 10B are formed in a long shape in this way, the lens holding member 4 and the package 2 can be more stably co-tightened to the base 6 via the spacers 10A and 10B. can.
  • the spacer 10 is made of a material having a lower thermal conductivity than the base 6.
  • the material of the spacer 10 is, for example, stainless steel, nickel, or the like. As a result, the heat generated in the package 2 can be efficiently released to the bottom wall 61 side instead of the spacer 10 side.
  • the height of the spacer 10 (length in the Z-axis direction) is made larger than the difference between the height of the package 2 (length in the Z-axis direction) and the height of the flange 24 (length in the Z-axis direction). There is. That is, in a state where the spacer 10 is in contact with the upper surface 24a of the flange 24, the end portion 10a of the spacer 10 on the sub-base 41 side protrudes toward the sub-base 41 side from the first surface 21 of the package 2. By setting the height of the spacer 10 in this way, a gap S (see FIG. 3) is formed between the sub-base 41 and the first surface 21 of the package 2 and the window material 23.
  • the window material 23 it is possible to prevent the window material 23 from being distorted (deformed) due to the contact between the lens holding member 4 and the window material 23 (that is, the lens holding member 4 being pressed against the window material 23). As a result, deterioration of the laser beam (laser light emitted from the window material 23) due to the distortion can be suppressed. Further, even when the tip portion of the lens cylinder 43 penetrates the through hole 413 (see FIG. 2) and slightly protrudes toward the package 2 as in the present embodiment, the height of the spacer 10 is adjusted. By adjusting the size of the gap S, it is possible to prevent the tip end portion of the lens cylinder 43 from coming into contact with the window material 23.
  • the sub-base 41, the spacer 10, and the flange 24 are co-tightened to the bottom wall 61 by a plurality of (four in this embodiment) screw members 11 (shaft members).
  • the screw member 11 is, for example, a hexagon bolt or the like. More specifically, insertion holes 41a, 10b, 24b, 61a through which the screw member 11 is inserted are provided at the four corners of the sub-base 41, the spacer 10, the flange 24, and the bottom wall 61 when viewed from the Z-axis direction. It is formed. Two insertion holes 10b are provided at both side edges of the spacers 10A and 10B in the Y-axis direction.
  • the insertion hole 61a of the bottom wall 61 is a screw hole that is open to the first surface 611 and has a screw groove formed therein. Further, the first surface 411 of the sub-base 41 is provided with a counterbore groove 41b for accommodating the head portion 11a of the screw member 11 so as to communicate with the insertion hole 41a. Then, each screw member 11 is inserted from the first surface 411 side of the sub base 41 into the insertion hole 41a of the sub base 41, the insertion hole 10b of the spacer 10, and the insertion hole 24b of the flange 24, and the bottom wall 61 is inserted. It is screwed into the hole 61a. As a result, the lens holding member 4 (sub-base 41) is fastened to the base 6 (bottom wall 61) via the spacer 10 and the flange 24.
  • the QCL module 1 described above includes a cooling fan 5 for cooling the package 2. According to such a configuration, it is possible to reduce the size and simplification of the module as compared with the case where a cooling mechanism of another method (for example, a water cooling method) is provided. Further, in the QCL module 1, the package 2 which is a light source and the lens holding member 4 (sub-base 41) are connected to a base 6 (bottom wall) by a common screw member 11 (in this embodiment, four screw members 11). It is tightened together with respect to 61). That is, the package 2 and the lens holding member 4 are integrally fixed by the common screw member 11.
  • a common screw member 11 in this embodiment, four screw members 11
  • the vibration pattern caused by the vibration of the cooling fan 5 is shared between the package 2 and the lens 3 held by the lens holding member 4.
  • fluctuations in the relative positional relationship between the package 2 and the lens 3 are suppressed, and temporal fluctuations in the optical conditions (for example, the length of the fabric pero resonator) between the package 2 and the lens 3 are suppressed. This makes it possible to reduce optical noise caused by temporal fluctuations in optical conditions.
  • the gas concentration is measured using the QCL module 1.
  • a QCL module 1 and a photodetector such as a photodetector are prepared, and a gas cell in which the gas to be measured is sealed is arranged between the QCL module 1 and the photodetector. ..
  • the laser beam emitted from the QCL module 1 that is, the laser beam emitted from the window material 23 of the package 2 and passed through the lens 3 passes through the gas cell, and the laser beam after passing through the gas cell is the light. Detected by the detector. This makes it possible to measure the concentration of gas in the gas cell (absorbance of laser light).
  • the QCL Since the QCL has excellent monochromaticity (that is, excellent wavelength resolution), it is suitably used for the above-mentioned gas concentration measurement and the like. However, since the QCL has excellent monochromaticity, fringe noise due to the etalon effect is generated in principle. This fringe noise is caused by the fact that the optical elements such as the lens 3 and the window material 23 arranged between the QCL element and the photodetector in the package 2 have a finite reflectance, that is, optical elements in the optical path of the laser beam. Due to the existence of a reflective interface. A fabric pero resonator is formed by such a reflection interface and the emission end surface of the QCL element, and fringe noise is generated by the interference of light.
  • this fringe noise (that is, the fabric pero interference condition) is constant if the fabric pero resonator length does not change, the fringe noise can be treated as an invariant. That is, the fringe noise can be removed by a background operation (difference operation).
  • the fabricello resonator length fluctuates with time
  • the fabricello interference condition also fluctuates with time, so that the fringe noise cannot be treated as an invariant.
  • the fringe noise cannot be removed by the background calculation described above.
  • TDLAS wavelength variable semiconductor laser absorption spectroscopy
  • the lens holding member is not fastened together with the package to the base and is fixed to the base separately from the package.
  • a configuration is conceivable in which a plate-shaped portion extending toward the lens holding member is provided on the bottom wall of the base, and the lens holding member is fixed to the plate-shaped portion independently of the package.
  • the way of transmitting the vibration from the cooling fan is different between the package and the lens holding member. More specifically, in the above comparative example, the package is fixed to the bottom wall of the base to which the cooling fan is fixed, whereas the lens holding member is fixed to a plate-shaped portion different from the bottom wall. Will be done.
  • the vibration frequency of the lens held by the lens holding member is not in phase with the vibration of the QCL (that is, the package) because it is affected by the mechanical vibration resonance of the plate-shaped portion.
  • the distance (optical path length) between the QCL and the lens fluctuates with time
  • the fabric pero resonance condition (that is, the fabric pero resonator length) between the QCL and the lens fluctuates with time. become.
  • the fringe noise cannot be treated as an invariant, so that the fringe noise is detected by the photodetector as a complicated optical noise structure.
  • the vibration of the QCL and the vibration of the lens do not have the same phase and the positional relationship (optical path length) between the QCL and the lens fluctuates with time
  • the XY plane (optical axis) of the laser beam after passing through the lens is amplified. Therefore, in the photodetector (light receiving unit), the spot position where the laser beam is irradiated fluctuates with time. Therefore, in the above comparative example, the fluctuation component of the output value of the photodetector due to the fluctuation of the spot position may also be generated as optical noise.
  • the lens holding member 4 is integrally fixed (co-tightened) to the base 6 (bottom wall 61) integrally with the package 2. Therefore, since the vibration of the QCL (package 2) and the vibration of the lens 3 held by the lens holding member 4 have the same phase, the above-mentioned fabric pero resonance condition does not change with time. As a result, the fringe noise can be treated as an invariant and removed by background calculation or the like, so that optical noise can be reduced.
  • the positional relationship (optical path length) between the QCL (package 2) and the lens 3 does not fluctuate (becomes constant) with time, the amount of deflection of the laser beam after passing through the lens 3 in the XY plane is not amplified. Thereby, it is possible to suppress the generation of optical noise due to the fluctuation of the spot position of the photodetector that may occur in the above comparative example.
  • the package 2 is arranged between the base 6 (bottom wall 61) and the lens holding member 4 (sub-base 41) so that the window material 23 faces the lens 3.
  • the package 2 and the lens holding member 4 are fastened together with the base 6 by fastening the lens holding member 4 to the base 6.
  • the lens holding member 4 and the package 2 can be integrally fixed to the base 6 by sandwiching the package 2 between the lens holding member 4 and the base 6.
  • the QCL module 1 includes a spacer 10 arranged between the lens holding member 4 and the base 6.
  • the package 2 has a flange 24 that abuts on the base 6 and extends along the base 6.
  • the spacer 10 is arranged between the surface of the lens holding member 4 on the base 6 side (in this embodiment, the second surface 412 of the sub base 41) and the upper surface 24a of the flange 24 on the lens holding member 4 side.
  • a gap S is formed between the lens holding member 4 and the window material 23.
  • deterioration of the laser beam due to the distortion can be suppressed.
  • the flange 24 has a flange 24A and a flange 24B formed on both sides of the window material 23.
  • the spacer 10 is arranged between the spacer 10A arranged between the second surface 412 of the sub base 41 and the upper surface 24a of the flange 24A, and between the second surface 412 of the sub base 41 and the upper surface 24a of the flange 24B. It has a spacer 10B and.
  • a plurality of (two in the present embodiment) screw members 11 are inserted through one spacer 10 (spacer 10A or spacer 10B). By inserting the plurality of screw members 11 into the common spacer 10 in this way, the lens holding member 4 and the package 2 can be more stably co-tightened to the base 6 via the spacer 10. can.
  • an insertion hole through which a screw member 11 is inserted is inserted into each of the lens holding member 4 (sub-base 41 in this embodiment), spacer 10, flange 24, and base 6 (bottom wall 61 in this embodiment).
  • 41a, 10b, 24b, 61a are formed.
  • the lens holding member 4 is fastened to the base 6 by the screw members 11 inserted into the insertion holes 41a, 10b, 24b, 61a of the lens holding member 4, the spacer 10, the flange 24, and the base 6.
  • the lens holding member 4, the spacer 10, and the flange 24 are co-tightened to the base 6.
  • the common screw member 11 is passed through the lens holding member 4, the spacer 10, and the flange 24 to be inserted into the insertion hole 61a of the base 6, so that the lens holding member 4, the spacer 10, and the flange 24 are made to be the base. It can be integrally and firmly fixed to 6. This makes it possible to effectively suppress fluctuations in the relative positional relationship between the package 2 and the lens holding member 4.
  • the bottom wall 61 is provided with a through hole penetrating from the first surface 611 to the second surface 612, the screw member 11 (bolt) is inserted through the through hole, and the nut arranged on the second surface 612 side is the screw member.
  • the package 2 and the lens holding member 4 may be fastened together with the base 6 by engaging with the tip portion of 11. This also applies to the screw 9 that fixes the cooling fan 5 to the bottom wall 61.
  • the lens holding member 4 is formed by combining the sub-base 41 and the lens holder 42, but the sub-base 41 may be omitted.
  • the lens holder 42 itself may be provided with an insertion hole through which the screw member 11 is inserted, and the lens holder 42, the spacer 10, and the flange 24 may be fastened together with the base 6.
  • the base 6 does not have to have the side wall 62.
  • a fixing portion for fixing the QCL module to the object to be fixed (for example, an insertion hole through which the rod member described above is inserted) may be provided in the bottom wall 61.
  • the base 6 in order to secure an area for providing the fixing portion, is made wider than the bottom wall 61 shown in the above embodiment (for example, wider than the above-mentioned bottom wall 61). It may be provided with a bottom wall).
  • the QCL module 1A has a package 2A instead of the package 2, a lens holding member 4A instead of the lens holding member 4, a base 6A instead of the base 6, and a spacer 110 instead of the spacer 10. It differs from the QCL module 1 in that it has.
  • the cooling fan 5 and the heat sink 7 are briefly shown, and elements other than the sub-base 141 (element corresponding to the sub-base 41) of the lens holding member 4A (that is, the lens holder 42, the lens cylinder 43, etc.) are shown. Is omitted.
  • Package 2A differs from package 2 in that it has flanges 124 (flange 124A, 124B) instead of flanges 24 (flange 24A, 24B).
  • the flange 124 differs from the flange 24 in that it does not have an insertion hole 24b.
  • the lens holding member 4A is different from the lens holding member 4 in that it has a sub base 141 instead of the sub base 41.
  • the sub-base 141 has an insertion hole 141a and a counterbore groove 141b for inserting the screw member 11.
  • the sub-base 141 is different from the sub-base 41 in that the width in the X-axis direction is slightly larger than that of the sub-base 41. Further, the positions of the insertion hole 141a and the counterbore groove 141b in the X-axis direction are outside the positions of the insertion hole 41a and the counterbore groove 41b in the sub-base 41 in the X-axis direction.
  • Base 6A differs from base 6 in that it has a bottom wall 161 instead of a bottom wall 61.
  • the bottom wall 161 has a first surface 161a, a second surface 161b, and an insertion hole 161c, similarly to the bottom wall 61.
  • the bottom wall 161 is different from the bottom wall 61 in that the width in the X-axis direction is slightly larger than that of the bottom wall 61.
  • the position of the insertion hole 161c in the X-axis direction is outside the position of the insertion hole 61a in the bottom wall 61 in the X-axis direction.
  • the insertion hole 161c is located outside the spacer 110 and the flange 124 in the X-axis direction.
  • the spacer 110 (spacer 110A, 110B) is different from the spacer 10 (spacer 10A, 10B) in that it does not have an insertion hole 10b.
  • insertion holes 141a and 161c through which the screw member 11 is inserted are formed in each of the sub-base 141 (lens holding member 4A) and the bottom wall 161 (base 6A). Then, in a state where the spacer 110 and the flange 124 are arranged between the sub base 141 and the bottom wall 161 and the sub base is inserted by the screw member 11 inserted into the insertion holes 141a and 161c of the sub base 141 and the bottom wall 161 respectively. By fastening 141 to the bottom wall 161 the lens holding member 4A, the spacer 110, and the flange 124 are co-tightened to the base 6A.
  • the screw member 11 is passed through the lens holding member 4A and inserted into the insertion hole 161c of the base 6A, and the spacer 110 and the flange 124 arranged between the lens holding member 4A and the base 6A are sandwiched between them.
  • the lens holding member 4A, the spacer 110, and the flange 124 are integrally and firmly attached to the base 6A. Can be fixed to. This makes it possible to effectively suppress fluctuations in the relative positional relationship between the package 2A and the lens holding member 4A.
  • the QCL module 1A it is not necessary to provide an insertion hole in the spacer 110 and the flange 124.
  • the position of the screw member 11 in the X-axis direction is outside the QCL module 1, so from the viewpoint of reducing the width dimension of the module in the X-axis direction, the QCL is larger than the QCL module 1A. Module 1 is more advantageous.

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Abstract

一実施形態のＱＣＬモジュールは、ＱＣＬ素子を収容し、ＱＣＬ素子から出射されたレーザ光を外部に取り出す窓材が設けられたパッケージと、窓材から出射されるレーザ光が入射するレンズを保持するレンズ保持部材と、パッケージを冷却する冷却ファンと、パッケージ、レンズ保持部材、及び冷却ファンを保持するベースと、を備える。パッケージ及びレンズ保持部材は、共通のネジ部材によって、ベースに対して共締めされている。

Description

量子カスケードレーザモジュール
　本開示は、量子カスケードレーザモジュールに関する。
　従来、光源素子と、レンズホルダと、光源素子を冷却するための冷却ファンと、が一体化されたモジュールが知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１には、ＬＥＤユニット（ＬＥＤ基板及びＬＥＤパッケージ）、照光部（レンズ群）、及び冷却ファンを備える構成が開示されている。特許文献１に記載の構成では、照光部が装着された据付部材とＬＥＤ基板とが、基台に対して別々に固定されている。特許文献２には、光源モジュール、レンズホルダ、及び冷却ファンを光源ホルダに固定した構成が開示されている。特許文献２に記載の構成では、光源モジュールとレンズホルダとは、光源ホルダに対して別々に固定されている。
特開２０１７－１８８２５６号公報 特開２０１９－０９６６３７号公報
　上記のようなモジュールの光源として量子カスケードレーザ（以下「ＱＣＬ」という。）が用いられる場合がある。ＱＣＬを備えたモジュールは、例えばガスの濃度計測等に用いられる。例えば、上記モジュールと光検出器との間に計測対象のガスが封入されたガスセルを配置し、上記モジュールから出射されたレーザ光をガスセル内を通過させ、ガスセル内を通過した後のレーザ光を光検出器で検出することで、ガスセル内のガスの濃度（レーザ光の吸光度）を計測することができる。ＱＣＬは、優れた単色性（すなわち、優れた波長分解能）を有するため、上記のようなガスの濃度計測に好適に用いることができる。一方で、上記のような優れた単色性を有することに起因して光学ノイズが原理的に発生する。より具体的には、ＱＣＬの放射端面とモジュールが備えるレンズの界面との間の干渉成分によってフリンジノイズ（干渉ノイズ）が発生する。
　仮に、ＱＣＬとレンズとの間の光学条件（例えば、ファブリペロ共振器長）が時間的に変動しなければ、上記光学ノイズを不変量として扱うことが可能になるため、上記光学ノイズをバックグラウンド演算によって除去することが可能である。しかし、上記のようにモジュールが冷却ファンを備える場合、冷却ファンの振動に起因するＱＣＬの振動とレンズの振動との間にずれが生じるおそれがある。特に、上記特許文献１，２に記載の構成のように、光源とレンズとが別個にベース部材（すなわち、特許文献１における基台、及び特許文献２における光源ホルダ）に固定される場合、ＱＣＬの振動とレンズの振動とが同位相とならず、ＱＣＬとレンズとの位置関係（すなわち、光路長）が時間的に変動し易い。この場合、上記光学条件が時間的に変動するため、上記光学ノイズを不変量として扱うことができなくなる。すなわち、光学ノイズをバックグラウンド演算によって除去することができなくなる。このため、上述したような計測における感度（検出限界）が制限されてしまう。
　そこで、上記光学条件の時間的な変動の要因となる振動の発生を抑えるために、冷却ファンの代わりに振動を発生させない水冷ジャケット等を用いることも考えられる。しかし、この場合、冷却水を循環させるための装置が必要となるため、モジュール全体が大型化及び複雑化すると共に、保守点検コストも増大する。
　そこで、本開示の一側面は、冷却ファンを備えた構成において、光学条件の時間的な変動に起因する光学ノイズを低減することができる量子カスケードレーザモジュールを提供することを目的とする。
　本開示の一側面に係る量子カスケードレーザモジュールは、量子カスケードレーザ素子を収容し、量子カスケードレーザ素子から出射されたレーザ光を外部に取り出す窓材が設けられたパッケージと、窓材から出射されるレーザ光が入射するレンズを保持するレンズ保持部材と、パッケージを冷却する冷却ファンと、パッケージ、レンズ保持部材、及び冷却ファンを保持するベースと、を備え、パッケージ及びレンズ保持部材は、共通の軸部材によって、ベースに対して共締めされている。
　上記量子カスケードレーザモジュールは、パッケージを冷却するために冷却ファンを備えている。このような構成によれば、他の方式（例えば水冷方式）の冷却機構を設ける場合と比較して、モジュールの小型化及び簡素化を図ることができる。また、上記量子カスケードレーザモジュールでは、光源であるパッケージとレンズ保持部材とが、共通の軸部材によって、ベースに対して共締めされている。すなわち、パッケージ及びレンズ保持部材が、共通の軸部材によって、一体的に固定されている。これにより、冷却ファンの振動に起因する振動パターンが、パッケージとレンズ保持部材に保持されたレンズとの間で共通化される。その結果、パッケージとレンズとの相対的な位置関係の変動が抑制され、パッケージとレンズとの間の光学条件（例えば、ファブリペロ共振器長）の時間的な変動が抑制される。これにより、光学条件の時間的な変動に起因する光学ノイズを低減することができる。
　パッケージは、窓材がレンズに対向するように、ベースとレンズ保持部材との間に配置されてもよく、パッケージ及びレンズ保持部材は、レンズ保持部材がベースに対して締結されることにより、ベースに対して共締めされていてもよい。これにより、レンズ保持部材とベースとでパッケージを挟み込むようにして、レンズ保持部材及びパッケージをベースに対して一体的に固定することができる。
　レンズ保持部材とベースとの間に配置されるスペーサを更に備えてもよく、パッケージは、ベースに当接すると共にベースに沿って延在するフランジを有してもよく、スペーサがレンズ保持部材のベース側の面とフランジのレンズ保持部材側の面との間に配置されることにより、レンズ保持部材と窓材との間に隙間が形成されていてもよい。これにより、レンズ保持部材と窓材とが接触することで窓材に歪み（変形）が生じることを防止することができる。その結果、当該歪みに起因するレーザ光の劣化を抑制することができる。
　フランジは、窓材を挟んだ両側に形成された第１フランジ及び第２フランジを有してもよく、スペーサは、レンズ保持部材のベース側の面と第１フランジのレンズ保持部材側の面との間に配置された第１スペーサと、レンズ保持部材のベース側の面と第２フランジのレンズ保持部材側の面との間に配置された第２スペーサと、を有してもよい。このように、パッケージとレンズ保持部材との間に、一対のスペーサ（第１スペーサ及び第２スペーサ）をバランス良く配置することにより、パッケージ及びレンズ保持部材の物理的安定性を高めることができ、パッケージとレンズ保持部材との間の相対的な位置関係の変動を効果的に抑制することができる。
　レンズ保持部材、スペーサ、フランジ、及びベースの各々には、軸部材が挿通される挿通孔が形成されていてもよく、レンズ保持部材、スペーサ、フランジ、及びベースの各々の挿通孔に挿通された軸部材によってレンズ保持部材がベースに対して締結されることにより、レンズ保持部材、スペーサ、及びフランジが、ベースに対して共締めされていてもよい。この場合、軸部材をレンズ保持部材、スペーサ、及びフランジに貫通させてベースの挿通孔に挿通させることで、レンズ保持部材、スペーサ、及びフランジを、ベースに対して、一体的且つ強固に固定することができる。これにより、パッケージとレンズ保持部材との間の相対的な位置関係の変動を効果的に抑制することができる。
　レンズ保持部材及びベースの各々には、軸部材が挿通される挿通孔が形成されていてもよく、レンズ保持部材とベースとの間にスペーサ及びフランジが配置された状態で、レンズ保持部材及びベースの各々の挿通孔に挿通された軸部材によってレンズ保持部材がベースに対して締結されることにより、レンズ保持部材、スペーサ、及びフランジが、ベースに対して共締めされていてもよい。この場合、軸部材をレンズ保持部材に貫通させてベースの挿通孔に挿通させ、レンズ保持部材とベースとでこれらの間に配置されるスペーサ及びフランジを挟み込むことにより、レンズ保持部材、スペーサ、及びフランジを、ベースに対して、一体的且つ強固に固定することができる。これにより、パッケージとレンズ保持部材との間の相対的な位置関係の変動を効果的に抑制することができる。
　スペーサは、ベースよりも熱伝導率の低い材料によって形成されていてもよい。これにより、パッケージにおいて発生した熱をスペーサ側ではなくベース側に効率良く逃がすことができる。
　本開示の一側面によれば、冷却ファンを備えた構成において、光学条件の時間的な変動に起因する光学ノイズを低減することができる量子カスケードレーザモジュールを提供することができる。
一実施形態に係る量子カスケードレーザモジュールの斜視図である。 図１の量子カスケードレーザモジュールの分解斜視図である。 図１の量子カスケードレーザモジュールの上面図である。 図１の量子カスケードレーザモジュールの側面図である。 変形例に係る量子カスケードレーザモジュールの一部を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［量子カスケードレーザモジュールの構成］
　図１～図４に示されるように、量子カスケードレーザモジュール１（以下、「ＱＣＬモジュール１」という。）は、主な構成要素として、光源であるパッケージ２と、パッケージ２から出射されるレーザ光が入射するレンズ３を保持するレンズ保持部材４と、パッケージ２を冷却する冷却ファン５と、パッケージ２、レンズ保持部材４、及び冷却ファン５を保持するベース６と、を有する。以降の説明において、パッケージ２から出射されるレーザ光の光軸方向をＺ軸方向と表し、それぞれＺ軸方向に直交し、互いに直交する２方向をＸ軸方向及びＹ軸方向と表す。
　パッケージ２は、高熱負荷（ＨＨＬ：High　Heat　Load）パッケージ型の量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum　Cascade　Laser）である。パッケージ２は、例えば中赤外の波長領域（例えば５～３０μｍの波長）の光を発生させる量子カスケードレーザ素子（以下、「ＱＣＬ素子」という。）を収容している。一例として、パッケージ２は、略直方体状に形成されている。パッケージ２は、Ｚ軸方向における一方側の第１面２１と、第１面２１とは反対側の第２面２２と、を有する。
　第１面２１は、レンズ保持部材４に対向する面である。第１面２１の略中央部には、ＱＣＬ素子から出射されるレーザ光を外部に取り出すための窓材２３が設けられている。窓材２３の材料は、例えば、ジンクセレン（ＺｎＳｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等である。第２面２２は、ベース６に対向する面であり、ベース６に当接している。第２面２２は、後述するフランジ２４Ａ，２４Ｂの分だけ、第１面２１よりも大きくされている。パッケージ２は、窓材２３がレンズ３に対向するように、ベース６とレンズ保持部材４との間に配置されている。
　パッケージ２の第２面２２側の縁部には、一対のフランジ２４（フランジ２４Ａ，２４Ｂ）が設けられている。フランジ２４Ａ（第１フランジ）及びフランジ２４Ｂ（第２フランジ）は、パッケージ２のＸ軸方向における両端部に設けられている。より具体的には、Ｘ軸方向において、フランジ２４Ａ及びフランジ２４Ｂは、互いに反対側に位置している。すなわち、フランジ２４Ａ及びフランジ２４Ｂは、Ｘ軸方向において、窓材２３を挟んだ両側に形成されている。フランジ２４Ａ及びフランジ２４Ｂは、Ｙ軸方向に沿って延在する矩形板状に形成されており、Ｘ軸方向に交差するパッケージ２の側面２５からＸ軸方向に突出している。フランジ２４Ａ及びフランジ２４Ｂの第２面２２は、フランジ２４Ａ，２４Ｂ以外の部分の第２面２２と連続しており、ベース６（具体的には後述する底壁６１）に当接すると共にベース６に沿って延在している。
　Ｙ軸方向に交差するパッケージ２の一方の側面２６には、パッケージ２内に収容されるＱＣＬ素子等の部品に外部から電力を供給するための複数（本実施形態では９本）のリードピン２７が挿通されている。
　レンズ保持部材４は、パッケージ２の第１面２１に対向する位置に配置されている。レンズ保持部材４は、複数の部品によって構成され得る。本実施形態では、レンズ保持部材４は、主に、サブベース４１と、レンズホルダ４２と、レンズシリンダ４３と、レンズ押さえリング４４と、レンズ保護リング４５と、を有する。
　レンズホルダ４２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに可動な十字動ホルダである。レンズホルダ４２の中央部には、Ｚ軸方向に貫通する開口部４２ａが設けられている。当該開口部４２ａにレンズシリンダ４３が挿入されている。
　レンズシリンダ４３は、レンズ３を収容する円筒状部材である。レンズシリンダ４３の外周面には雄ネジが形成されている。一方、レンズホルダ４２の開口部４２ａの内面には、上記雄ネジに対応する（すなわち、上記雄ネジに螺合される）雌ネジが形成されている。これにより、レンズシリンダ４３を回しながらレンズホルダ４２の開口部４２ａに挿入することが可能となっている。また、レンズホルダ４２に対するレンズシリンダ４３の回転量を調整することにより、Ｚ軸方向におけるレンズホルダ４２に対するレンズシリンダ４３の位置（すなわち、挿入量）を調節することが可能となっている。これにより、Ｚ軸方向におけるレンズ３の位置調整（すなわち、レンズ３を透過した後のレーザ光（ビーム）のフォーカス調整）を行うことが可能となっている。なお、レンズシリンダ４３をレンズホルダ４２に対して摺動させる際に抵抗がかかるように（すなわち、緩まないように）、レンズシリンダ４３の勘合部にはＯリングが配置されてもよい。
　レンズ３、レンズ押さえリング４４、及びレンズ保護リング４５は、この順にレンズシリンダ４３内に格納されている。レンズ押さえリング４４は、レンズ保護リング４５を介して、レンズ３をレンズシリンダ４３内の奥側に固定するための部材である。レンズ保護リング４５は、レンズ３の表面にレンズ押さえリング４４が接触することに起因するレンズ３の表面の損傷を防止するために、レンズ３とレンズ押さえリング４４との間に配置される部材である。レンズ保護リング４５は、例えば、テフロン（登録商標）等の樹脂材料によって形成されている。
　サブベース４１は、レンズホルダ４２とパッケージ２との間に配置される板状部材である。サブベース４１は、レンズホルダ４２に対向する第１面４１１と、第１面４１１とは反対側の面であってパッケージ２に対向する第２面４１２と、を有する。サブベース４１の材料は、例えばアルミニウム等である。
　サブベース４１の第１面４１１には、上述したレンズホルダ４２が取り付けられている。より具体的には、Ｚ軸方向から見たレンズホルダ４２の四隅には、レンズホルダ４２をサブベース４１に対して固定するための支持ロッド４６が挿通される挿通孔４２ｂが設けられている。各挿通孔４２ｂは、Ｚ軸方向に延在している。各挿通孔４２ｂを形成する壁部の一部には、挿通孔４２ｂと連通する孔部が形成されており、レンズホルダ４２に対して支持ロッド４６を固定するための留めネジ４７が当該孔部に挿入されている。支持ロッド４６の先端部（サブベース４１側の端部）は、サブベース４１の第１面４１１に固定されている。一例として、各支持ロッド４６の先端部にはネジ溝が形成されており、サブベース４１の第１面４１１には、各支持ロッド４６に対応する各位置に４つのネジ孔４１１ａが形成されている。支持ロッド４６の先端部がネジ孔４１１ａに螺合されることにより、レンズホルダ４２は、支持ロッド４６を介してサブベース４１に固定されている。このようにサブベース４１とレンズホルダ４２とが一体的に結合されることによって、レンズ保持部材４が構成されている。
　Ｚ軸方向から見たサブベース４１の中央部には、第１面４１１から第２面４１２にかけて貫通する円状の貫通孔４１３が形成されている。レンズシリンダ４３の先端部は、貫通孔４１３内に挿通されており、第２面４１２よりもパッケージ２側に突出している（図３参照）。
　ベース６は、Ｌ字状に形成された板状部材である。ベース６は、パッケージ２の第２面２２に対向する底壁６１と、底壁６１のＹ軸方向における一方側の端部からＺ軸方向に沿って立設された側壁６２と、を有する。ベース６の材料は、例えば、アルミニウム、銅等である。
　底壁６１は、ＸＹ平面に平行に延在する矩形板状の部分である。底壁６１は、パッケージ２に対向する第１面６１１と、第１面６１１とは反対側の面であって冷却ファン５に対向する第２面６１２と、を有する。すなわち、パッケージ２及びレンズ保持部材４は、底壁６１の第１面６１１側に配置されており、冷却ファン５は、底壁６１の第２面６１２側に配置されている。
　側壁６２は、ＸＺ平面に平行に延在する矩形板状の部分である。側壁６２は、底壁６１に対してパッケージ２が配置される側とは反対側に延びており、後述するヒートシンク７の側方を覆っている。本実施形態では一例として、側壁６２には、ＱＣＬモジュール１を実験台等に固定するためのロッド部材が挿通される挿通孔６２１（ＱＣＬモジュールを固定対象物に固定するための固定部）と、挿通孔６２１と連通するザグリ孔６２２と、が形成されている。
　冷却ファン５は、パッケージ２において発生した熱（主にパッケージ２内のＱＣＬ素子から発生した熱）を強制空冷する機構である。冷却ファン５は、ヒートシンク７を介して、底壁６１の第２面６１２に固定されている。ヒートシンク７は、第２面６１２に当接する平板部７１と、平板部７１の底壁６１とは反対側の面に形成された複数の放熱フィン７２（本実施形態では、格子状に配列された複数の棒状の部材）と、を有する。冷却ファン５を挟んでヒートシンク７とは反対側には、安全のため（すなわち、冷却ファン５内に人の指等が侵入することを防ぐため）のフィンガーガード８が配置されている。すなわち、底壁６１の第２面６１２に近い側から、ヒートシンク７、冷却ファン５、及びフィンガーガード８がこの順に配置されている。
　ヒートシンク７、冷却ファン５、及びフィンガーガード８は、複数（本実施形態では４本）のネジ９によって、底壁６１に対して共締めされている。より具体的には、Ｚ軸方向から見たヒートシンク７（平板部７１）、冷却ファン５、及びフィンガーガード８の各々の四隅には、ネジ９を挿通させるための挿通孔７１ａ，５ａ，及び８ａが設けられており、底壁６１の第２面６１２には、ネジ孔６１２ａ（図３及び図４参照）が形成されている。各ネジ９が、ヒートシンク７の挿通孔７１ａ、冷却ファン５の挿通孔５ａ、及びフィンガーガード８の挿通孔８ａに挿通され、底壁６１のネジ孔６１２ａに螺合されることにより、ヒートシンク７、冷却ファン５、及びフィンガーガード８が、底壁６１に対して一体的に固定されている。なお、パッケージ２から底壁６１へと伝わった熱を効率良く放熱するために、パッケージ２の第２面２２と底壁６１の第１面６１１との間に、放熱グリスが塗布されてもよい。同様に、底壁６１の第２面６１２とヒートシンク７の平板部７１との間に、放熱グリスが塗布されてもよい。
　パッケージ２及びサブベース４１（レンズ保持部材４）は、ベース６に対して共締めされている。本実施形態では、サブベース４１とベース６との間にスペーサ１０が配置されている。スペーサ１０は、サブベース４１の第２面４１２（ベース６側の面）とフランジ２４の上面２４ａ（サブベース４１側の面）との間に配置される。より具体的には、スペーサ１０は、フランジ２４Ａに対応するスペーサ１０Ａ（第１スペーサ）と、フランジ２４Ｂに対応するスペーサ１０Ｂ（第２スペーサ）と、を有する。すなわち、スペーサ１０Ａは、サブベース４１の第２面４１２とフランジ２４Ａの上面２４ａとの間に配置されており、スペーサ１０Ｂは、サブベース４１の第２面４１２とフランジ２４Ｂの上面２４ａとの間に配置されている。つまり、スペーサ１０Ａ及びスペーサ１０Ｂは、Ｘ軸方向において、窓材２３を挟んだ両側に配置されている。スペーサ１０Ａ，１０Ｂの各々は、矩形板状に形成されている。より具体的には、各スペーサ１０Ａ，１０Ｂは、Ｙ軸方向（すなわち、窓材２３を挟んでスペーサ１０Ａ，１０Ｂが対向する方向（Ｘ軸方向）及びＺ軸方向と交差する方向）に延在する長尺状の部材（すなわち、Ｙ軸方向に沿って一定の幅を有する部材）である。このようにスペーサ１０Ａ，１０Ｂが長尺状に形成されていることにより、スペーサ１０Ａ，１０Ｂを介して、レンズ保持部材４とパッケージ２とをベース６に対してより安定的に共締めすることができる。スペーサ１０は、ベース６よりも熱伝導率の低い材料によって形成されている。スペーサ１０の材料は、例えば、ステンレス、ニッケル等である。これにより、パッケージ２において発生した熱をスペーサ１０側ではなく底壁６１側に効率良く逃がすことができる。
　スペーサ１０の高さ（Ｚ軸方向における長さ）は、パッケージ２の高さ（Ｚ軸方向における長さ）とフランジ２４の高さ（Ｚ軸方向における長さ）との差よりも大きくされている。すなわち、スペーサ１０がフランジ２４の上面２４ａに当接した状態において、スペーサ１０のサブベース４１側の端部１０ａは、パッケージ２の第１面２１よりもサブベース４１側に突出している。このようにスペーサ１０の高さが設定されていることにより、サブベース４１とパッケージ２の第１面２１及び窓材２３との間に隙間Ｓ（図３参照）が形成されている。これにより、レンズ保持部材４と窓材２３とが接触すること（すなわち、レンズ保持部材４が窓材２３に押し付けられること）によって窓材２３に歪み（変形）が生じることを防止することができ、その結果、当該歪みに起因するレーザ光（窓材２３から出射されるレーザ光）の劣化を抑制することができる。また、本実施形態のように、レンズシリンダ４３の先端部が貫通孔４１３（図２参照）を貫通してパッケージ２側に多少突出する場合であっても、スペーサ１０の高さを調整して隙間Ｓの大きさを調整することで、レンズシリンダ４３の先端部が窓材２３に接触することを防止することができる。
　サブベース４１、スペーサ１０、及びフランジ２４は、複数（本実施形態では４本）のネジ部材１１（軸部材）によって、底壁６１に対して共締めされている。ネジ部材１１は、例えば六角ボルト等である。より具体的には、Ｚ軸方向から見たサブベース４１、スペーサ１０、フランジ２４、及び底壁６１の各々の四隅には、ネジ部材１１が挿通される挿通孔４１ａ，１０ｂ，２４ｂ，６１ａが形成されている。スペーサ１０Ａ，１０Ｂの各々のＹ軸方向における両側縁部に、２つの挿通孔１０ｂが設けられている。フランジ２４Ａ，２４Ｂの各々のＹ軸方向における両側縁部に、２つの挿通孔２４ｂが設けられている。底壁６１の挿通孔６１ａは、第１面６１１に開口しており、ネジ溝が形成されたネジ孔である。また、サブベース４１の第１面４１１には、ネジ部材１１の頭部１１ａを収容するためのザグリ溝４１ｂが、挿通孔４１ａと連通するように設けられている。そして、各ネジ部材１１が、サブベース４１の第１面４１１側から、サブベース４１の挿通孔４１ａ、スペーサ１０の挿通孔１０ｂ、及びフランジ２４の挿通孔２４ｂに挿通され、底壁６１の挿通孔６１ａに螺合されている。これにより、レンズ保持部材４（サブベース４１）が、スペーサ１０及びフランジ２４を介して、ベース６（底壁６１）に対して締結されている。
［作用及び効果］
　以上説明したＱＣＬモジュール１は、パッケージ２を冷却するために冷却ファン５を備えている。このような構成によれば、他の方式（例えば水冷方式）の冷却機構を設ける場合と比較して、モジュールの小型化及び簡素化を図ることができる。また、ＱＣＬモジュール１では、光源であるパッケージ２とレンズ保持部材４（サブベース４１）とが、共通のネジ部材１１（本実施形態では、４本のネジ部材１１）によって、ベース６（底壁６１）に対して共締めされている。すなわち、パッケージ２及びレンズ保持部材４が、共通のネジ部材１１によって、一体的に固定されている。これにより、冷却ファン５の振動に起因する振動パターンが、パッケージ２とレンズ保持部材４に保持されたレンズ３との間で共通化される。その結果、パッケージ２とレンズ３との相対的な位置関係の変動が抑制され、パッケージ２とレンズ３との間の光学条件（例えば、ファブリペロ共振器長）の時間的な変動が抑制される。これにより、光学条件の時間的な変動に起因する光学ノイズを低減することができる。
　上記効果について、ＱＣＬモジュール１を用いたガス濃度計測を行う場合を例に挙げて具体的に説明する。このようなガス濃度計測においては、例えば、ＱＣＬモジュール１とフォトディテクタ等の光検出器とが用意され、ＱＣＬモジュール１と光検出器との間に計測対象のガスが封入されたガスセルが配置される。そして、ＱＣＬモジュール１から出射されたレーザ光（すなわち、パッケージ２の窓材２３から出射され、レンズ３を通過したレーザ光）がガスセル内を通過し、ガスセル内を通過した後のレーザ光が光検出器で検出される。これにより、ガスセル内のガスの濃度（レーザ光の吸光度）を計測することができる。ＱＣＬは、優れた単色性（すなわち、優れた波長分解能）を有するため、上述したガス濃度計測等に好適に用いられる。しかし、ＱＣＬが優れた単色性を有するが故に、エタロン効果によるフリンジノイズが原理的に発生する。このフリンジノイズは、パッケージ２内のＱＣＬ素子と光検出器との間に配置されるレンズ３及び窓材２３等の光学素子が有限の反射率を持つこと、すなわちレーザ光の光路中に光学的な反射界面が存在することに起因する。このような反射界面とＱＣＬ素子の放射端面とによってファブリペロ共振器が形成され、光の干渉によってフリンジノイズが発生する。このフリンジノイズ（すなわち、ファブリペロ干渉条件）は、ファブリペロ共振器長が変化しなければ一定となるため、上記フリンジノイズを不変量として扱うことができる。すなわち、上記フリンジノイズは、バックグラウンド演算（差分演算）によって除去され得る。一方、ファブリペロ共振器長が時間的に変動すると、ファブリペロ干渉条件も時間的に変動してしまうため、上記フリンジノイズを不変量として扱うことができなくなる。その結果、上述したバックグラウンド演算によってフリンジノイズを除去することができなくなる。また、ＱＣＬモジュール１を用いたガス濃度計測においては、レーザの発振波長を時間的に変化させる波長可変半導体レーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ：Tunable　diode　laser　absorption　spectroscopy）が広く用いられている。このような計測手法を用いる場合には、レーザの発振波長の変化に起因するファブリペロ干渉条件の変動成分も上記フリンジノイズに重畳されてしまうため、極めて複雑な光学ノイズが発生してしまう。このような光学ノイズは、上述したようなガス濃度計測の検出限界を制限する要因となる。
　ここで、レンズ保持部材がパッケージと共にベースに共締めされておらず、パッケージとは別個にベースに固定される構成を有する比較例について考える。例えば、ベースの底壁にレンズ保持部材側に延びる板状部を設け、レンズ保持部材を当該板状部に対してパッケージとは独立して固定する構成が考えられる。このような構成を有する比較例では、冷却ファンからの振動の伝わり方が、パッケージとレンズ保持部材との間で異なってしまう。より具体的には、上記比較例では、パッケージが、冷却ファンが固定されたベースの底壁に対して固定されるのに対して、レンズ保持部材は、底壁とは異なる板状部に固定される。このため、レンズ保持部材に保持されたレンズの振動周波数は、板状部の機械的な振動共振の影響を受けるため、ＱＣＬ（すなわち、パッケージ）の振動と同位相とならない。その結果、ＱＣＬとレンズとの間の距離（光路長）が時間的に変動することになり、ＱＣＬとレンズとの間のファブリペロ共振条件（すなわち、ファブリペロ共振器長）が時間的に変動することになる。その結果、上述したように、上記フリンジノイズを不変量として扱うことができなくなるため、上記フリンジノイズは、光検出器において、複雑な光学ノイズ構造として検出されることになる。
　また、ＱＣＬの振動とレンズの振動とが同位相にならず、ＱＣＬとレンズとの位置関係（光路長）が時間的に変動する場合、レンズを透過した後のレーザ光のＸＹ平面（光軸方向であるＺ軸方向に直交する平面）における偏向量が増幅されてしまう。このため、光検出器（受光部）において、レーザ光が照射されるスポット位置が時間的に変動することになる。このため、上記比較例においては、このようなスポット位置の変動に起因する光検出器の出力値の変動成分も光学ノイズとして発生し得る。
　一方、上記実施形態で説明したＱＣＬモジュール１では、レンズ保持部材４は、パッケージ２と一体的に、ベース６（底壁６１）に対して強固に固定（共締め）されている。このため、ＱＣＬ（パッケージ２）の振動とレンズ保持部材４に保持されたレンズ３の振動とは同位相となるため、上述したファブリペロ共振条件は時間的に変動しない。その結果、上記フリンジノイズを不変量として扱い、バックグラウンド演算等によって除去することが可能となるため、光学ノイズを低減することが可能となる。また、ＱＣＬ（パッケージ２）とレンズ３との位置関係（光路長）が時間的に変動しない（一定となる）ため、レンズ３を透過した後のレーザ光のＸＹ平面における偏向量は増幅されない。これにより、上記比較例において発生し得る光検出器のスポット位置の変動に起因する光学ノイズの発生を抑制することもできる。
　また、パッケージ２は、窓材２３がレンズ３に対向するように、ベース６（底壁６１）とレンズ保持部材４（サブベース４１）との間に配置されている。そして、パッケージ２及びレンズ保持部材４は、レンズ保持部材４がベース６に対して締結されることにより、ベース６に対して共締めされている。これにより、レンズ保持部材４とベース６とでパッケージ２を挟み込むようにして、レンズ保持部材４及びパッケージ２をベース６に対して一体的に固定することができる。
　また、ＱＣＬモジュール１は、レンズ保持部材４とベース６との間に配置されるスペーサ１０を備えている。パッケージ２は、ベース６に当接すると共にベース６に沿って延在するフランジ２４を有する。そして、スペーサ１０がレンズ保持部材４のベース６側の面（本実施形態では、サブベース４１の第２面４１２）とフランジ２４のレンズ保持部材４側の上面２４ａとの間に配置されることにより、レンズ保持部材４と窓材２３との間に隙間Ｓが形成されている。これにより、レンズ保持部材４と窓材２３とが接触することで窓材２３に歪み（変形）が生じることを防止することができる。その結果、当該歪みに起因するレーザ光の劣化を抑制することができる。
　また、フランジ２４は、窓材２３を挟んだ両側に形成されたフランジ２４Ａ及びフランジ２４Ｂを有する。スペーサ１０は、サブベース４１の第２面４１２とフランジ２４Ａの上面２４ａとの間に配置されたスペーサ１０Ａと、サブベース４１の第２面４１２とフランジ２４Ｂの上面２４ａとの間に配置されたスペーサ１０Ｂと、を有する。このように、パッケージ２とレンズ保持部材４との間に、一対のスペーサ１０Ａ，１０Ｂをバランス良く配置することにより、パッケージ２及びレンズ保持部材４の物理的安定性を高めることができ、パッケージ２とレンズ保持部材４との間の相対的な位置関係（すなわち、ＱＣＬとレンズ３との位置関係）の変動を効果的に抑制することができる。また、本実施形態では、１つのスペーサ１０（スペーサ１０Ａ又はスペーサ１０Ｂ）に対して、複数（本実施形態では２本）のネジ部材１１が挿通される。このように、複数のネジ部材１１が共通のスペーサ１０に挿通されることにより、レンズ保持部材４とパッケージ２とを、スペーサ１０を介してベース６に対してより安定的に共締めすることができる。
　また、レンズ保持部材４（本実施形態では、サブベース４１）、スペーサ１０、フランジ２４、及びベース６（本実施形態では、底壁６１）の各々には、ネジ部材１１が挿通される挿通孔４１ａ，１０ｂ，２４ｂ，６１ａが形成されている。そして、レンズ保持部材４、スペーサ１０、フランジ２４、及びベース６の各々の挿通孔４１ａ，１０ｂ，２４ｂ，６１ａに挿通されたネジ部材１１によってレンズ保持部材４がベース６に対して締結されることにより、レンズ保持部材４、スペーサ１０、及びフランジ２４が、ベース６に対して共締めされている。この場合、共通のネジ部材１１をレンズ保持部材４、スペーサ１０、及びフランジ２４に貫通させてベース６の挿通孔６１ａに挿通させることで、レンズ保持部材４、スペーサ１０、及びフランジ２４を、ベース６に対して、一体的且つ強固に固定することができる。これにより、パッケージ２とレンズ保持部材４との間の相対的な位置関係の変動を効果的に抑制することができる。
［変形例］
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。例えば、上記実施形態では、共締めの形態として、ネジ部材１１がベース６の底壁６１に設けられた挿通孔６１ａ（ネジ孔）にネジ留めされる形態を例示したが、ネジ部材１１は、ナットと勘合されてもよい。例えば、底壁６１に第１面６１１から第２面６１２にかけて貫通する貫通孔を設け、ネジ部材１１（ボルト）を当該貫通孔に挿通させ、第２面６１２側に配置したナットを当該ネジ部材１１の先端部と勘合させることで、パッケージ２及びレンズ保持部材４をベース６に対して共締めしてもよい。これは、冷却ファン５を底壁６１に対して固定するネジ９についても同様である。
　また、上記実施形態では、レンズ保持部材４は、サブベース４１とレンズホルダ４２とを組み合わせることで形成されたが、サブベース４１は省略されてもよい。例えば、レンズホルダ４２自体にネジ部材１１を挿通させる挿通孔を設け、レンズホルダ４２、スペーサ１０、及びフランジ２４が、ベース６に対して共締めされてもよい。
　また、ベース６は、側壁６２を有さなくてもよい。この場合、ＱＣＬモジュールを固定対象物に固定するための固定部（例えば、上述したロッド部材が挿通される挿通孔）は、底壁６１に設けられてもよい。さらに、この場合、固定部を設けるための領域を確保するために、ベース６は、上記実施形態で示した底壁６１よりも大きい底壁（例えば、上述した底壁６１よりも幅広とされた底壁）を備えてもよい。
　また、図５に示される変形例に係るＱＣＬモジュール１Ａのように、共通のネジ部材１１は、スペーサ及びフランジを貫通していなくてもよい。ＱＣＬモジュール１Ａは、パッケージ２の代わりにパッケージ２Ａを有し、レンズ保持部材４の代わりにレンズ保持部材４Ａを有し、ベース６の代わりにベース６Ａを有し、スペーサ１０の代わりにスペーサ１１０を有する点において、ＱＣＬモジュール１と相違している。図５においては、冷却ファン５及びヒートシンク７を簡略的に示すと共に、レンズ保持部材４Ａのサブベース１４１（サブベース４１に対応する要素）以外の要素（すなわち、レンズホルダ４２、レンズシリンダ４３等）の図示を省略している。
　パッケージ２Ａは、フランジ２４（フランジ２４Ａ，２４Ｂ）の代わりにフランジ１２４（フランジ１２４Ａ，１２４Ｂ）を有する点において、パッケージ２と相違している。フランジ１２４は、挿通孔２４ｂを有していない点において、フランジ２４と相違している。
　レンズ保持部材４Ａは、サブベース４１の代わりにサブベース１４１を有する点において、レンズ保持部材４と相違している。サブベース１４１は、サブベース４１と同様に、ネジ部材１１を挿通させるための挿通孔１４１ａ及びザグリ溝１４１ｂを有している。一方、サブベース１４１は、Ｘ軸方向における幅がサブベース４１よりも若干大きくされている点において、サブベース４１と相違している。また、挿通孔１４１ａ及びザグリ溝１４１ｂのＸ軸方向における位置は、サブベース４１における挿通孔４１ａ及びザグリ溝４１ｂのＸ軸方向における位置よりも外側にある。
　ベース６Ａは、底壁６１の代わりに底壁１６１を有する点において、ベース６と相違している。底壁１６１は、底壁６１と同様に、第１面１６１ａ、第２面１６１ｂ、及び挿通孔１６１ｃを有している。一方、底壁１６１は、Ｘ軸方向における幅が底壁６１よりも若干大きくされている点において、底壁６１と相違している。また、挿通孔１６１ｃのＸ軸方向における位置は、底壁６１における挿通孔６１ａのＸ軸方向における位置よりも外側にある。具体的には、挿通孔１６１ｃは、Ｘ軸方向において、スペーサ１１０及びフランジ１２４よりも外側に位置している。
　スペーサ１１０（スペーサ１１０Ａ，１１０Ｂ）は、挿通孔１０ｂを有していない点において、スペーサ１０（スペーサ１０Ａ，１０Ｂ）と相違している。
　ＱＣＬモジュール１Ａでは、サブベース１４１（レンズ保持部材４Ａ）及び底壁１６１（ベース６Ａ）の各々には、ネジ部材１１が挿通される挿通孔１４１ａ，１６１ｃが形成されている。そして、サブベース１４１と底壁１６１との間にスペーサ１１０及びフランジ１２４が配置された状態で、サブベース１４１及び底壁１６１の各々の挿通孔１４１ａ，１６１ｃに挿通されたネジ部材１１によってサブベース１４１が底壁１６１に対して締結されることにより、レンズ保持部材４Ａ、スペーサ１１０、及びフランジ１２４が、ベース６Ａに対して共締めされている。この場合、ネジ部材１１をレンズ保持部材４Ａに貫通させてベース６Ａの挿通孔１６１ｃに挿通させ、レンズ保持部材４Ａとベース６Ａとでこれらの間に配置されるスペーサ１１０及びフランジ１２４を挟み込むことにより（言い換えれば、万力のようにスペーサ１１０及びフランジ１２４をＺ軸方向における両側から押圧することにより）、レンズ保持部材４Ａ、スペーサ１１０、及びフランジ１２４を、ベース６Ａに対して、一体的且つ強固に固定することができる。これにより、パッケージ２Ａとレンズ保持部材４Ａとの間の相対的な位置関係の変動を効果的に抑制することができる。また、ＱＣＬモジュール１Ａによれば、スペーサ１１０及びフランジ１２４に挿通孔を設ける必要がない。一方で、ＱＣＬモジュール１Ａでは、ネジ部材１１のＸ軸方向における位置がＱＣＬモジュール１よりも外側となるため、モジュールのＸ軸方向における幅寸法を小型化する観点からは、ＱＣＬモジュール１ＡよりもＱＣＬモジュール１の方が有利である。
　１，１Ａ…量子カスケードレーザモジュール、２，２Ａ…パッケージ、３…レンズ、４，４Ａ…レンズ保持部材、５…冷却ファン、６，６Ａ…ベース、１０，１１０Ａ…スペーサ、１０Ａ，１１０Ａ…スペーサ（第１スペーサ）、１０Ｂ，１１０Ｂ…スペーサ（第２スペーサ）、１１…ネジ部材（軸部材）、２３…窓材、２４，１２４…フランジ、２４Ａ，１２４Ａ…フランジ（第１フランジ）、２４Ｂ，１２４Ｂ…フランジ（第２フランジ）、Ｓ…隙間。

Claims (7)

  1. 　量子カスケードレーザ素子を収容し、前記量子カスケードレーザ素子から出射されたレーザ光を外部に取り出す窓材が設けられたパッケージと、
    　前記窓材から出射される前記レーザ光が入射するレンズを保持するレンズ保持部材と、
    　前記パッケージを冷却する冷却ファンと、
    　前記パッケージ、前記レンズ保持部材、及び前記冷却ファンを保持するベースと、
    を備え、
    　前記パッケージ及び前記レンズ保持部材は、共通の軸部材によって、前記ベースに対して共締めされている、量子カスケードレーザモジュール。
  2. 　前記パッケージは、前記窓材が前記レンズに対向するように、前記ベースと前記レンズ保持部材との間に配置され、
    　前記パッケージ及び前記レンズ保持部材は、前記レンズ保持部材が前記ベースに対して締結されることにより、前記ベースに対して共締めされている、請求項１に記載の量子カスケードレーザモジュール。
  3. 　前記レンズ保持部材と前記ベースとの間に配置されるスペーサを更に備え、
    　前記パッケージは、前記ベースに当接すると共に前記ベースに沿って延在するフランジを有し、
    　前記スペーサが前記レンズ保持部材の前記ベース側の面と前記フランジの前記レンズ保持部材側の面との間に配置されることにより、前記レンズ保持部材と前記窓材との間に隙間が形成されている、請求項２に記載の量子カスケードレーザモジュール。
  4. 　前記フランジは、前記窓材を挟んだ両側に形成された第１フランジ及び第２フランジを有し、
    　前記スペーサは、前記レンズ保持部材の前記ベース側の面と前記第１フランジの前記レンズ保持部材側の面との間に配置された第１スペーサと、前記レンズ保持部材の前記ベース側の面と前記第２フランジの前記レンズ保持部材側の面との間に配置された第２スペーサと、を有する、請求項３に記載の量子カスケードレーザモジュール。
  5. 　前記レンズ保持部材、前記スペーサ、前記フランジ、及び前記ベースの各々には、前記軸部材が挿通される挿通孔が形成されており、
    　前記レンズ保持部材、前記スペーサ、前記フランジ、及び前記ベースの各々の前記挿通孔に挿通された前記軸部材によって前記レンズ保持部材が前記ベースに対して締結されることにより、前記レンズ保持部材、前記スペーサ、及び前記フランジが、前記ベースに対して共締めされている、請求項３又は４に記載の量子カスケードレーザモジュール。
  6. 　前記レンズ保持部材及び前記ベースの各々には、前記軸部材が挿通される挿通孔が形成されており、
    　前記レンズ保持部材と前記ベースとの間に前記スペーサ及び前記フランジが配置された状態で、前記レンズ保持部材及び前記ベースの各々の前記挿通孔に挿通された前記軸部材によって前記レンズ保持部材が前記ベースに対して締結されることにより、前記レンズ保持部材、前記スペーサ、及び前記フランジが、前記ベースに対して共締めされている、請求項３又は４に記載の量子カスケードレーザモジュール。
  7. 　前記スペーサは、前記ベースよりも熱伝導率の低い材料によって形成されている、請求項３～６のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザモジュール。
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