JP2004252094A

JP2004252094A - 半導体レーザ装置用光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004252094A
Application number: JP2003041654A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Riyounai; 博領内; Atsushi Murata; 淳村田; Yoshiyuki Shimizu; 義之清水; Shoji Nakamura; 正二中村; Atsushi Ashino; 淳芦野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】面形状精度が安定した光学素子を製造でき、生産性が高く、かつ安価に製造することができる半導体レーザ装置用光学素子の製造方法及び半導体レーザ装置用光学素子を提供する。
【解決手段】容器１内のガラス材料を加熱して軟化させる工程と、出口部１ｄに形成されて孔を介して軟化したガラス材料を容器１の外に引き出して、光学的有効面が形成された光学素子母材８を形成する工程と、カッター９で光学素子母材８を所定長さに切断する工程とを備えている。このことにより、面形状精度が安定した光学素子を得ることができ、生産性が高く、かつコスト面でも有利になる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に用いるガラス光学素子の成形に関し、特に高出力の半導体レーザによる溶接機や切断機等の加工機に用いる半導体レーザ装置用光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置に関する技術として、例えば半導体レーザアレイから放射した光の集光度を高め、しかも光ファイバアレイから出力する光の密度を上げることのできる装置が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
このような半導体レーザ装置に用いる光学素子には、例えば半円柱状のレンズや、双曲線状のレンズがあり、レンズ同士を貼り合わせて用いる場合もある。この場合、複雑な形状に対応するため、イオン交換レンズや研磨加工レンズが用いられていた。
【０００４】
また、あらかじめ準備した光学レンズ用母材を、線引き処理して所定形状の光学レンズを得る技術が提案されている（例えば下記特許文献２、３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３３５７５５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−３３８２８１号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２００２−３３８２８２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のようなイオン交換レンズや研磨加工レンズは、一品一品を個別に加工するため、面形状の精度のばらつきが大きく、このばらつきが集光性や結合効率にも大きく影響するという問題があった。
【０００９】
さらに、面形状の精度は厳格に確保する必要があり、このため、加工工程が長くなる上、安定した形状の確保も困難となり、これに伴い製造コストも増大し、高価なレンズとなっていた。
【００１０】
また、前記特許文献２、３の技術は、線引き処理の前に、あらかじめ所定形状の光学レンズ用母材を準備しておく必要があり、線引き処理自体で所定形状のレンズを得るというものではなかった。
【００１１】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、面形状精度が安定した光学素子を製造でき、生産性が高く、かつ安価に製造することができる半導体レーザ装置用光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法は、容器内のガラス材料を加熱して軟化させる工程と、孔を介して前記軟化したガラス材料を前記容器の外に引き出して、光学的有効面が形成された光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材を所定長さに切断する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法は、容器内のガラス材料を加熱して軟化させる工程と、孔を介して前記軟化したガラス材料を前記容器の外に引き出す工程と、前記引き出したガラス材料が固化する前に、成形型の形状を前記ガラス材料に転写して、光学的有効面が形成された光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材を所定長さに切断する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法によれば、面形状精度が安定した光学素子を得ることができ、生産性が高く、かつコスト面でも有利になる。
【００１５】
前記本発明の第１の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法においては、前記孔の形状は、非円形又は円形を含んでいることが好ましい。この構成によれば、非円筒面や円筒面の光学的有効面を有する光学素子を形成することができる。
【００１６】
また、前記孔の１辺に非円形又は円形の形状が複数個配列されていることが好ましい。この構成によれば、非円筒面や円筒面を複数個有する光学素子アレイを形成することができる。
【００１７】
また、前記容器は、前記容器内のガラス材料が自重で前記孔に移動するように配置されていることが好ましい。この構成によれば、ガラス材料を容器の外に引き出す力に、ガラス材料の自重が加わるので、孔を介したガラス材料の引き出しが容易になる。
【００１８】
次に、本発明の第２の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法においては、前記成形型は、外周にギヤ状部が形成されており、前記ギヤ状部が前記光学素子母材を押圧した状態で前記成形型を回転させながら、前記ガラス材料に、前記ギヤ状部の回転と連動させて、光学的有効面を順次転写させることが好ましい。この構成によれば、非円筒面や円筒面の光学的有効面を隣接させて順次形成できるので、複数の非円筒面や円筒面を有する光学素子の作製に有用である。
【００１９】
また、前記成形型は、外周に凹状部が形成されており、前記凹状部が前記ガラス材料を押圧した状態で前記成形型を回転させながら、前記ガラス材料に前記凹状部の形状を連続的に転写させることが好ましい。この構成によれば、同一断面形状の光学素子母材を連続して形成できるので、非円筒面や円筒面が１つの光学素子の作製に有用である。
【００２０】
また、前記成形型により転写される形状は、円筒面又は非円筒面であることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置用光学素子の製造装置の概略図である。以下、本図を参照しながら工程順に説明する。まず、容器１の開口１ｃから容器１内に透光性のガラス材料を入れ、これを加熱する。容器１は、本体部分１ａと、本体部分の径寸法に対して径寸法を絞った絞り部分１ｂとを備えている。容器１は、上側が本体部分１ａ、下側が絞り部分１ｂとなるように、すなわち、本体部分１ａの材料が自重により、絞り部分１ｂに向かって移動するように配置している。
【００２３】
容器１の本体部分１ａを外側から取り囲むように、加熱手段であるヒータ２が配置され、絞り部分１ｂを外側から取り囲むように、加熱手段であるヒータ３が配置されている。また、容器１は、白金製にしており、ガラス材料と反応しないようにしている。
【００２４】
加熱炉１０内に配置された容器１内に充填したガラス材料は、本体部分１ａに対応したヒータ２により加熱され、ガラス材料が軟化点より高い温度となるように設定している。本実施の形態では、透光性のガラス材料として、ホウ珪酸ガラス（ガラス転移点Ｔｇ＝５２０℃）を用い、加熱ヒータ２によりガラス材料を８５０℃まで加熱して軟化させるようにしている。この場合、容器１の絞り部１ｂは、加熱ヒータ３による加熱により、ガラス材料の温度は６５０℃を保持している。
【００２５】
ここで、図２（ａ）は、絞り部分１ｂの先端面１ｄの平面図を示している。先端面１ｄには孔４が形成されており、図１に示したように、容器１内のガラス材料は孔４を介して、容器１の外に連続して引き出され、光学素子母材８が形成される。容器１外に引き出された光学素子母材８の外形形状（断面形状）は、孔４の内周形状に対応していることになる。
【００２６】
出口部１ｄは所定の厚さを有しているので、孔４の内周側は内周面を形成している。この内周面は、容器１から引き出されるガラス材料の形状の精度を確保するために、鏡面に研磨加工されている。また、ガラス材料の容器１からの引き出しを容易にするため、孔４は、出口面１ｄの内面（容器１の内面）と滑らかな曲線でつながっていることが好ましい。
【００２７】
ガラス材料の引き出しの初期は、棒を用いて容器１内のガラス材料を引き出すことになる。より具体的には、孔４から容器１内に挿入した棒をガラス材料に接触させた状態で、ガラス棒を引き抜くことにより、容器１内のガラス材料はガラス棒につながって容器外に引き出されることになる。
【００２８】
この初期の引き出しの後は、光学素子母材８は、１対のローラ６又は１対のローラ７の回転駆動により、容器１内から容器１の外へ一定速度で連続的に引き出されることになる。ローラ６、７は例えばゴムローラであり、光学素子母材８の送り作用（引き出し作用）に加えて、光学素子母材８の冷却にも寄与する。
【００２９】
前記の例では、本体部１ａにおけるガラス材料の温度（８５０℃）に比べ、絞り部１ｂの温度（６５０℃）は低くなっており、出口部１ｄにおいては、さらに温度は低くなっている。絞り部１ｂでは、ガラス転移点（５２０℃）を十分上回る温度を維持しているものの、ガラス材料の温度は出口部１ｄでは軟化点より低く、孔４から高粘性状態で引き出されることになる。
【００３０】
以下、光学素子母材８は、下方に進むにつれて冷却が進行し、屈服点、ガラス転移点へと温度が下降し、図１の例ではローラ６に達するまでに、ガラス転移点以下の温度まで下降する。このためには、出口部１ｄからローラ６までの間で、エアブロー等により冷却を行うことが好ましい。
【００３１】
ローラ７を経た光学素子母材８は、切断手段であるカッター９の位置に至ることになる。この位置では光学素子母材８の温度は、ガラス転移点を下回っており、光学素子母材８は固化した状態になっている。この固化状態の光学素子母材８を切断手段であるカッター９により、所定間隔で切断すれば、所定長さの光学素子が得られることになる。
【００３２】
図２（ｃ）は、前記の工程を経て得られた光学素子１１の斜視図を示している。本図に示した光学素子１１は、所定長さＬ１に切断されており、この長さＬ１の方向が、光学素子母材８の長手方向に対応する。光学素子１１は、図２（ａ）の孔４の円弧部４ａに対応した光学的有効面である円筒面１１ａを備えている。また、孔４の円弧部４ａを非円弧形状として、円筒面１１ａに代えて非円筒面を形成してもよい。
【００３３】
本図に示した光学素子１１は、半導体レーザ装置の光学素子として用いることができる。例えば、半導体レーザと光学素子１１とを対向させ、半導体レーザ１１の射出光が円筒面１１ａを通過するように配置すれば、射出光の広がりを平行に直したり、集光したりすることができる。
【００３４】
この場合、光学素子の収差（集光のばらつき）をなくすためには、非円筒面の利用が有効であることが知られている。半導体レーザ用光学素子は、円筒面、非円筒面のいずれについても、面形状精度は厳格であり、特に非円筒面の作成は、機械加工や貼り合わせなどの工法では加工精度のばらつきを抑えることが極めて困難であった。これに対して、本実施の形態にように、一旦所定形状に加工されている孔を介してガラス材料を引き出して、光学素子母材を形成する製造方法によれば、機械加工や貼り合わせなどの工法に比べ、加工精度のばらつきを抑えることができ、面形状精度を安定させることができる。さらに、生産性に優れており、製造コストの点でも有利である。このため、本実施の形態は、特に非円筒面を有する光学素子の製造に有用である。
【００３５】
図２（ｂ）は、孔形状を別の例とした出口面１ｄの平面図を示しており、図２（ｄ）は、図２（ｂ）の孔形状で得られた光学素子アレイの斜視図を示している。図２（ｄ）の光学素子アレイ１２は、所定長さＬ２に切断されており、この長さＬ２の方向が、光学素子母材８の長手方向に対応する。光学素子アレイ１２ａの大きさは、例えば、厚さ０．８ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ（Ｌ２）１０ｍｍである。光学素子アレイ１２は、孔５の１辺に設けた複数の円弧部５ａに対応した光学的有効面である複数の円筒面１２ａを備えている。このため、光学素子アレイ１２を、さらに円筒面１２ａの長手方向に沿って切断すれば、複数の光学素子が得られる。また、孔５の円弧部５ａを非円弧形状として、円筒面１１ａに代えて非円筒面を形成してもよい。
【００３６】
また、図２（ａ）、（ｂ）に示した孔形状において、孔４、５のコーナ部４ｂ、５ｂを面取りしてもよい。この構成によれば、成形した光学素子母材のバリの発生を防止でき、光学素子としての精度の悪化や、取り扱い時に人体の損傷を防止でき、別途バリを除去する作業も不要になる。
【００３７】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置用光学素子の製造装置の概略図である。以下、本図を参照しながら工程順に説明する。まず、容器２０の開口２０ｃから容器２０内に透光性のガラス材料を入れ、これを加熱する。容器２０は、本体部分２０ａと、本体部分の径寸法に対して径寸法を絞った絞り部分２０ｂとを備えている。容器２０は、上側が本体部分２０ａ、下側が絞り部分２０ｂとなるように、すなわち、本体部分２０ａ部分の材料が自重により、絞り部分２０ｂに向かって移動するように配置している。
【００３８】
容器２０の本体部分２０ａを外側から取り囲むように、加熱手段であるヒータ２１が配置され、絞り部分２０ｂを外側から取り囲むように、加熱手段であるヒータ２２が配置されている。また、容器２０は白金製にしており、ガラス材料と反応しないようにしている。
【００３９】
加熱炉３３内の容器２０内に充填したガラス材料は、本体部分２０ａに対応したヒータ２１により加熱され、ガラス材料が軟化点より高い温度となるように設定している。本実施の形態では、透光性のガラス材料として、ホウ珪酸ガラス（ガラス転移点Ｔｇ＝５２０℃）を用い、加熱ヒータ２１によりガラス材料を８５０℃まで加熱して軟化させるようにしている。この場合、容器２０の絞り部分２０ｂは、加熱ヒータ２２による加熱により、ガラス材料の温度は８００℃を保持している。
【００４０】
ここまでの工程は、実施の形態１と同様であるが、実施の形態１では、光学素子としての光学的有効面の形状が、容器１の出口部１ｄから引出した時点で形成されているのに対して、実施の形態２では、容器２０の絞り部２０ｄから引出した後のガラス材料に成形型を用いて光学的有効面を作製するというものである。
【００４１】
ここで、図３（ｂ）は、絞り部２０ｂの先端面２０ｄの平面図を示している。先端面２０ｄには、孔２３が形成されており、容器２０内のガラス材料は孔２３を経て、容器２０の外に連続して引き出されることになる。孔２３の形状は、略長方形であり、先端面２０ｄから引き出された直後のガラス母材には、まだ円筒面や非円筒面は形成されていない。孔２３の形状が略長方形である点を除けば、孔２３の基本構成は、実施の形態１で説明した孔４と同様である。
【００４２】
本実施の形態では、引き出したガラス材料を成形加工するので、絞り部２０ｂにおいて、軟化点以上の温度を維持しており、ガラス材料は孔２３から軟化状態で引き出されることになる。
【００４３】
引き出されたガラス材料は、ローラ２５と成形型である成形ローラ２４との間に挟まれ、ガラス材料に所定形状が転写されて光学素子母材３２が形成される。この成形後に、光学素子母材３２はガラス転移温度まで冷却され固化することになる。
【００４４】
図４（ａ）は、図３の成形ローラ２４近傍の拡大図である。成形ローラ２４の外周にはギヤ状に形成されたギア状部２４ａを備えており、回転軸２９を中心として回転駆動される。ローラ２５は成形ローラ２４と対向するように配置されており、回転軸３０を中心として回転可能である。
【００４５】
成形ローラ２４とローラ２５との間に挟み込まれたガラス材料３１は、成形ローラ２４のギヤ状部２４ａに押圧されることになる。このことにより、ギヤ状部２４ａの回転と連動しながら、ガラス材料３１を引き出しつつ、ガラス材料３１にギヤ状部２４ａの形状に対応した光学的有効面である所定形状が順次転写されることになる。レンズ形状が転写された光学素子母材３２は、切断手段であるカッター２９の位置で切断される。
【００４６】
図４（ｂ）は、切断後の状態を示した斜視図である。本図に示した光学素子３２は、所定長さＬ３に切断されており、この長さＬ３の方向が、光学素子母材３１の長手方向に対応する。光学素子３４は、図４（ａ）の成形ローラ２４のギヤ状部２４ａに対応した円筒面３４ａを備えている。また、ギヤ状部２４ａの形状を変えて、円筒面３４ａに代えて非円筒面を形成してもよい。
【００４７】
本図に示した光学素子３４は、非円筒面又は円筒面の凸状部３４ａが複数形成されており、半導体レーザ装置の光学素子として用いることができる。例えば、複数の半導体レーザを用いた半導体装置において、各半導体レーザと各凸状部３４ａとが対向するように配置すれば、各凸状部３４ａを通過することによって、光の広がりを平行に直したり、集光したりすることができる。
【００４８】
この場合、光学素子の収差（集光のばらつき）をなくすためには、非円筒面の利用が有効であることが知られている。円筒面、非円筒面のいずれについても、面形状精度は厳格であり、特に非円筒面の作製は、機械加工や貼り合わせなどの工法では加工精度のばらつきを抑えることが極めて困難であった。これに対して、本実施の形態のように、一旦所定形状に加工した成形型を用いてガラス面に非円筒面や円筒面を転写する製造方法によれば、機械加工や貼り合わせなどの工法に比べ、加工精度のばらつきを抑えることができ、面形状精度を安定させることができる。さらに、生産性に優れており、製造コストの点でも有利である。このため、本実施の形態は、特に非円筒面を有する光学素子の製造に有用である。
【００４９】
図５は、別の例に係る成形ローラを用いた成形状態を示している。成形ローラ３５は、外周面に凹状部３５ａが形成されており、この凹状部３５ａが非円筒面又は円筒面に対応している。また、成形ローラ３５は、回転軸３６を中心として回転駆動される。ローラ３７は成形ローラ３５と対向するように配置されており、回転軸３８を中心として回転可能である。
【００５０】
成形ローラ３５とローラ３７との間には挟み込まれたガラス材料は、成形ローラ３５の凹状部３５ａに押圧されて、ガラス材料に光学的有効面である非円筒面や円筒面の所定形状が連続的に転写され、光学素子母材３９が形成される。この成形によれば、図５に示したような断面形状の光学素子母材３９が連続的に得られるので、カッターで所定長さに切断すれば、図２（ｃ）に示した光学素子と同様の形状が得られる。
【００５１】
また、成形ローラの材料は、加工後に鏡面性を有し、成形時の温度に耐えるようにＳｉＣ等のセラミックやＷＣ（超硬）を用いることが好ましく、安価な材料としてＳＵＳ等を用いてもよい。また、成形時のガラスとの反応を少しでも低減させるためにはグラッシーカーボン等を用いてもよい。また、母材を各種セラミック、又は金属とし、表面に金属又はカーボン等の薄膜を形成し成形用金型として用いてもよい。例えば、超硬材料にカーボン（ＤＬＣ）の被膜をして成形用金型として用いてもよい。
【００５２】
また、成形ローラによる成形をＮ_２還元雰囲気で行えば、金型の酸化を防止することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法によれば、面形状精度が安定した光学素子を得ることができ、生産性が高く、かつコスト面でも有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置用光学素子の製造装置の概略構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１に係る容器の出口部先端面の孔形状を示す平面図（ｂ）本発明の実施の形態１に係る容器の出口部先端面の孔形状の別の例を示す平面図
（ｃ）本発明の実施の形態１に係る製造方法により得られた光学素子の斜視図（ｄ）本発明の実施の形態に係る製造方法により得られた別の例の光学素子の斜視図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置用光学素子の製造装置の概略構成図
（ｂ）本発明の実施の形態２に係る容器の出口部先端面の孔形状を示す平面図
【図４】（ａ）図３（ａ）に示した装置の成形ローラ近傍の拡大図
（ｂ）本発明の実施の形態２に係る製造方法により得られた光学素子の斜視図
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置用光学素子の成形ローラの別の例を示す平面図
【符号の説明】
１，２０容器
１ａ，２０ａ本体部
１ｂ，２０ｂ出口部
１ｄ，２０ｄ先端面
２，３，２１，２２加熱ヒータ
４，５，２３孔
６，７，２５，２６，３７ローラ
１１，１２，３４光学素子

Claims

容器内のガラス材料を加熱して軟化させる工程と、孔を介して前記軟化したガラス材料を前記容器の外に引き出して、光学的有効面が形成された光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材を所定長さに切断する工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記孔の形状は、非円形又は円形を含んでいる請求項１に記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記孔の１辺に非円形又は円形の形状が複数個配列されている請求項１に記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記容器は、前記容器内のガラス材料が自重で前記孔に移動するように配置されている請求項１に記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
容器内のガラス材料を加熱して軟化させる工程と、孔を介して前記軟化したガラス材料を前記容器の外に引き出す工程と、前記引き出したガラス材料が固化する前に、成形型の形状を前記ガラス材料に転写して、光学的有効面が形成された光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材を所定長さに切断する工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記成形型は、外周にギヤ状部が形成されており、前記ギヤ状部が前記光学素子母材を押圧した状態で前記成形型を回転させながら、前記ガラス材料に、前記ギヤ状部の回転と連動させて、光学的有効面を順次転写させる請求項５に記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記成形型は、外周に凹状部が形成されており、前記凹状部が前記ガラス材料を押圧した状態で前記成形型を回転させながら、前記ガラス材料に前記凹状部の形状を連続的に転写させる請求項５に記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。
前記成形型により転写される形状は、円筒面又は非円筒面である請求項５から８のいずれかに記載の半導体レーザ装置用光学素子の製造方法。