JP2004273620A

JP2004273620A - レーザー装置

Info

Publication number: JP2004273620A
Application number: JP2003060048A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nagano; 和彦永野
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】複数のレーザーダイオードとコリメーターレンズアレイとの組合せを有するレーザー装置において、前者の発光点ピッチと後者のレンズピッチとが互いにずれることを防止する。
【解決手段】複数の発光点１２ａが一列に並ぶように構成されたレーザーダイオード１２と、そこから発せられた発散光状態のレーザービーム１２Ｂを各々平行光化するコリメーターレンズアレイ１４と、平行光化されたレーザービーム１２Ｂを集光する集光レンズ２０と、集光されたレーザービーム１２Ｂを１本に合波する光ファイバー３０とを備えてなるレーザー装置において、レーザーダイオード１２および／またはコリメーターレンズアレイ１４を加温するヒータ５０と、光ファイバー３０から出射したレーザービームＢの光量を検出する光量検出手段５３と、この光量検出手段５３が検出する光量が最大となるようにヒータ５０の駆動を制御する制御回路５１とを設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置に関し、特に詳細には、レーザーダイオードから発せられた複数のレーザービームを、光ファイバーを用いて１本に合波するようにしたレーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザー励起固体レーザーから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーや、エキシマレーザーや、Ａｒレーザーが実用に供されている。
【０００３】
さらには近時、例えば非特許文献１に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発するＧａＮ系半導体レーザー（レーザーダイオード）も提供されている。
【０００４】
このような波長のレーザービームを発する光源は、３５０〜４２０ｎｍの紫外領域を含んだ所定の波長域（以下「紫外域」という）に感度を有する感光材料を露光する露光装置において、露光用光源として適用することも考えられている。その場合の露光用光源は、当然ながら、感光材料を感光させるのに十分な出力を備えることが求められる。
【０００５】
しかし上記エキシマレーザーは、装置が大型で、コストやメンテナンスコストも高いという問題がある。
【０００６】
また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーは、波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは極めて困難になっている。現在のところは、３０Ｗの半導体レーザーで固体レーザー媒質を励起して１０Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、それを３Ｗの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に変換し、それら両者の和周波である１Ｗの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を得る、というのが現在の実用レベルである。その場合の半導体レーザーの電気−光効率は５０％程度であり、そして紫外光への変換効率は１．７％程度と非常に低いものとなっている。そしてこのような波長変換レーザーは、高価な光波長変換素子を用いるために、コストがかなり高いものとなっている。
【０００７】
またＡｒレーザーは電気−光効率が０．００５％と非常に低く、寿命が１０００時間程度と非常に短いという問題がある。
【０００８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザーについては、低転位のＧａＮ結晶基板が得られないことから、ＥＬＯＧという成長方法によって約５μｍ程度の低転位領域を作り出し、その上にレーザー領域を形成して高出力化と高信頼性を実現する試みがなされている。しかし、こうして作製されるＧａＮ系半導体レーザーにおいても、大面積に亘って低転位の基板を得るのが難しいので、５００ｍＷ〜１Ｗ級の高出力なものは未だ商品化されていない。
【０００９】
また、半導体レーザーの高出力化の別の試みとして、例えば１つで１００ｍＷの光を出力するキャビティを１００個形成することで１０Ｗの出力を得るようなことも考えられているが、１００個程度の多数のキャビティを高歩留まりで作成することは、ほとんど現実性が無いと言える。特に、シングルキャビティの場合でも９９％以上の高歩留まり化は困難であるＧａＮ系半導体レーザーにあっては、なおさらである。
【００１０】
本出願人は上記の事情に鑑みて、特に高出力が得られる合波レーザー装置を先に提案した（特許文献１参照）。この特許文献１に示される合波レーザー装置は、複数のレーザーダイオードと、１本の光ファイバーと、上記複数のレーザーダイオードからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で上記光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなるものである。このような構成によれば、光ファイバーから１本に合波された高出力のレーザービームを取り出すことができる。
【００１１】
この合波レーザー装置の好ましい実施形態において、上記複数のレーザーダイオードは、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配設される。また、非特許文献１には、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数個並べて固定されてなるレーザー装置が示されており、このようなマルチキャビティレーザーダイオードを１個あるいは複数、上記合波レーザー装置に適用することも可能である。
【００１２】
また、上記合波レーザー装置における集光光学系としては、特許文献１にも記載があるように、レーザーダイオードから発散光状態で発せられた複数のレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイと、このコリメーターレンズアレイによって平行光化されたレーザービームを集光する集光レンズとからなるものを好適に用いることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【００１４】
【非特許文献１】
ジャパニーズ・アプライド・フィジックス・レターズ
（ＪａｐａｎｅｓｅＡｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ），Ｖｏｌ．３７，（１９９８），ｐ．Ｌ１０２０
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように複数の発光点が一列に並ぶように構成された１個または複数のレーザーダイオードと、コリメーターレンズアレイとの組合わせを備えてなるファイバー合波型のレーザー装置においては、各発光点の発光軸と、アレイをなす各コリメーターレンズの光軸とが互いに０．１μｍ程度の高精度で揃っている必要がある。すなわち、そのようになっていないと、各コリメーターレンズを通過した後に集光レンズで集光されたレーザービームが、ファイバーのコア端面上で正確に収束しなくなる。
【００１６】
そこで、レーザーダイオードとコリメーターレンズアレイとは互いに高精度に位置合わせ調整されるが、従来装置においては、この位置合わせ精度が損なわれることがあった。その場合は当然、複数のレーザービームと光ファイバーとの結合効率が低下し、ひいては合波レーザービームの出力低下を招く。
【００１７】
本発明者の研究によると、上記位置合わせ精度が損なわれる原因として、大別して２つのことが考えられることが分かった。一つは、マルチキャビティレーザーダイオードの発光点ピッチと、コリメーターレンズアレイのレンズピッチとが、それらの一方あるいは双方の製作誤差により僅かに異なっている点にある。もう一つは、レーザー装置を実際に使用すると、駆動されるレーザーダイオードの温度が上昇したり、レーザーダイオードが経時変化してその駆動電流が増大することにより、その発光点ピッチがコリメーターレンズアレイのレンズピッチとずれてしまう点にある。この後者の事態は、マルチキャビティレーザーダイオードを用いる場合にも、またシングルキャビティレーザーダイオードを複数用いる場合にも、共に起き得るものである。
【００１８】
具体的に、上述のようなピッチずれは、０．１μｍ台程度の微小なものでも、合波レーザービームの出力を明らかに低下させる原因となる。
【００１９】
本発明は上記の事情に鑑みて、複数の発光点が一列に並ぶように構成された１個または複数のレーザーダイオードと、コリメーターレンズアレイとの組合せを有するファイバー合波型のレーザー装置において、前者の発光点ピッチと後者のレンズピッチとが互いにずれることを防止して、複数のレーザービームと光ファイバーとの結合効率が高く安定したレーザー装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザー装置は、レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を変化させることにより、前者の発光点ピッチおよび／または後者のレンズピッチを調整して、両者を一致させるようにしたものである。
【００２１】
すなわち、本発明による第１のレーザー装置は、
前述したように複数の発光点が一列に並ぶように構成された１個または複数のレーザーダイオードと、
前記複数の発光点から発せられた発散光状態のレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイと、
このコリメーターレンズアレイによって平行光化されたレーザービームを集光する集光レンズとを備えてなるレーザー装置において、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、
前記光ファイバーから出射したレーザービームの光量を検出する光量検出手段と、
この光量検出手段が検出する光量が最大となるように前記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
また本発明による第２のレーザー装置は、上記とそれぞれ同様の１個または複数のレーザーダイオードと、コリメーターレンズアレイと、集光レンズとを備えてなるレーザー装置において、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を所定の目標値に設定するように前記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを備えたことを特徴とするものである。
【００２３】
なお上記第２のレーザー装置において、より好ましくは、前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を検出する温度検出手段が設けられ、前記制御回路は、この温度検出手段が検出した温度に基づいて前記温度調節手段の駆動をフィードバック制御するように構成される。
【００２４】
あるいは、この第２のレーザー装置において、前記制御回路は、所定のプログラムに基づいて前記温度調節手段の駆動をオープン制御するように構成されてもよい。その場合のオープン制御は、例えば、制御温度の目標値に応じて温度調節手段に供給する電流値を変える、といった処理によって実行される。
【００２５】
また、上述の温度調節手段のうち、レーザーダイオードを温度調節するものとしてはペルチェ素子等の冷却手段を好適に用いることができ、他方、コリメーターレンズアレイを温度調節するものとしては、ヒータを好適に用いることができる。
【００２６】
さらに本発明のレーザー装置においては、前記レーザーダイオードとして、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードが１個または複数設けられてもよいし、あるいは、１個の発光点を有するシングルキャビティレーザーダイオードが複数設けられてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による第１のレーザー装置は、レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、光ファイバーから出射したレーザービームの光量を検出する光量検出手段と、この光量検出手段が検出する光量が最大となるように上記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを備えたことにより、レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度は、自動的に、前者の発光点ピッチと後者のレンズピッチとが互いに一致する温度に制御される。つまり、この発光点ピッチと後者のレンズピッチとが互いに最も精度良く一致しているとき、複数のレーザービームと光ファイバーとの結合効率が最大になって、上記の検出される光量が最大になるからである。このような制御がなされることにより、本発明による第１のレーザー装置においては、複数のレーザービームと光ファイバーとの結合効率が高く安定したものとなる。
【００２８】
一方、本発明による第２のレーザー装置は、レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を所定の目標値に設定するように上記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを有するので、上記目標値の設定次第で、温度によって変化するレーザーダイオードの発光点ピッチとコリメーターレンズアレイのレンズピッチとを互いに一致させることができる。そうであれば、複数のレーザービームと光ファイバーとの結合効率を高く安定に保つことが可能になる。
【００２９】
なおこの第２のレーザー装置において前述のフィードバック制御を適用する場合、制御する温度の目標値は、例えばレーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を掃引するとともに、そのとき光ファイバーから出射したレーザービームの光量を検出して、該検出光量が最大値となったときの温度を目標値とする、等によって実験的あるいは経験的に求めることができる。
【００３０】
また、この第２のレーザー装置において前述のオープン制御を適用する場合は、例えばレーザーダイオードの発光点ピッチの製造誤差や、レーザーダイオードの駆動時間増加に伴う経時劣化特性、さらには環境温度に対する発光点ピッチの変化特性等と、それらに対応した適切なレーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度とを参照テーブルの形で記憶手段に記憶させておき、使用するレーザーダイオードについて実測された発光点ピッチの製造誤差や、レーザーダイオードの通算駆動時間や、環境温度等に応じて参照テーブルから適切な温度を読み出して、それを制御温度の目標値とすればよい。
【００３１】
このようして定める目標値は、レーザー装置の駆動中に微小な時間間隔で随時設定し直すようにしてもよいし、また、例えばレーザー装置を立ち上げる毎に、あるいは１日毎に、さらには１週間毎に、等の比較的長い所定間隔で設定し直すようにしてもよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３３】
図１および図２はそれぞれ、本発明の第１の実施の形態によるレーザー装置１０の平面形状、側面形状を示すものであり、また図３は図２のＡ−Ａ線に沿った部分を示す正面図である。
【００３４】
図示されるようにこのレーザー装置１０は、銅または銅合金等からなるヒートブロック（ステム）１１上に固定された、一例として３個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２，１２，１２と、合成樹脂あるいはガラスからなるコリメーターレンズアレイ１４と、集光レンズ２０とを有している。そしてこのヒートブロック１１はベース板２１上に固定されている。またこのベース板２１上にはファイバーホルダ２３が固定され、その上にマルチモード光ファイバー３０の入射端部が保持されている。
【００３５】
ヒートブロック１１は、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を固定する水平なレーザー固定面１１ａと、このレーザー固定面１１ａよりも前方側（レーザービーム１２Ｂの出射方向）に一段下げて形成された水平なレンズ固定面１１ｆとを有している。これらのレーザー固定面１１ａおよびレンズ固定面１１ｆは、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００３６】
一方マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、一例としてＧａＮ系レーザーダイオードからなる発振波長が４０５ｎｍのもので、５個のキャビティを備えたもの、つまり５個の発光点１２ａを有するものとされている。そして３個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２，１２，１２は、それぞれの発光点１２ａの並び方向と同じ方向に並べて配置されている。本実施の形態において、上記５個の発光点１２ａは０．３５ｍｍのピッチで形成され、各々から出力３０ｍＷのレーザービーム１２Ｂが発せられる。
【００３７】
コリメーターレンズアレイ１４は、１５個のコリメーターレンズ１４ａが一列に一体的に形成されてなるものである。本実施の形態において１つのコリメーターレンズ１４ａは、軸対称レンズの光軸を含む一部を細長く切り取った形状とされ、その焦点距離は０．９ｍｍ、有効高さは１．３ｍｍで、レーザービーム１２Ｂの断面形状に合わせて縦横比が例えば３：１とされている。これら１５個のコリメーターレンズ１４ａのピッチは、それぞれマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチに合わせて０．３５ｍｍ（誤差は０．２μｍ以下）とされている。また５個ずつのコリメーターレンズ１４ａの間には、３個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の間の隙間に対応させて、０．０５ｍｍの隙間１４ｃが設けられている。
【００３８】
コリメーターレンズアレイ１４はその下端面を上記レンズ固定面１１ｆに支持させた状態で、該レンズ固定面１１ｆにロウ材で固定することによって取り付けられている。なおこのレンズ固定面１１ｆには、後述する集光レンズ２０も上記と同様にして固定されている。
【００３９】
上述のようにコリメーターレンズアレイ１４をヒートブロック１１に取り付ける際、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の１５本の発光軸と、各コリメーターレンズ１４ａの光軸とが一致し、また各コリメーターレンズ１４ａの焦点位置がマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の各発光点１２ａに来るように、コリメーターレンズアレイ１４が位置調整される。
【００４０】
他方、集光レンズ２０は幅が６ｍｍ、有効高さが１．８ｍｍ、焦点距離が１４ｍｍのトランケート型レンズである。またマルチモード光ファイバー３０はコア径が５０μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２のものである。
【００４１】
上記の構成において、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２から発せられた合計１５本のレーザービーム１２Ｂは、コリメーターレンズアレイ１４の各コリメーターレンズ１４ａによって平行光とされ、次いで集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア（図示せず）の入射端面上で収束する。これらのレーザービーム１２Ｂはマルチモード光ファイバー３０のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。なおマルチモード光ファイバー３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。また、マルチモード光ファイバーに代えてシングルモード光ファイバーが使用されてもよい。
【００４２】
１５本のレーザービーム１２Ｂは集光レンズ２０により集光されて、マルチモード光ファイバー３０のコア端面に集光スポット径約４０μｍで収束する。これらのレーザービーム１２Ｂのファイバー結合における損失、およびコリメーターレンズ１４ａ並びに集光レンズ２０を透過する際の損失の合計は２０％である。その場合、各レーザービーム１２Ｂの出力が前述のように３０ｍＷであるならば、３６０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４３】
ここで、コリメーターレンズアレイ１４のレンズピッチとマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチは、先に説明したような理由により、互いにずれてしまうことがある。以下、これらのピッチのずれを解消するための構成について説明する。
【００４４】
コリメーターレンズアレイ１４の上面には、ほぼその全長に亘って延びる、電熱体からなるヒータ５０が固定されている。このヒータ５０は、制御回路５１から供給される駆動電流Ｓ１を受けて駆動し、コリメーターレンズアレイ１４の温度を変化させる。こうしてコリメーターレンズアレイ１４の温度が変化すると、そのレンズピッチが僅かに変わることになる。また、マルチモード光ファイバー３０から出射して使用位置に向かって進行するレーザービームＢの光路には、それを一部分岐するハーフミラー５２が挿入され、分岐されたレーザービームＢの光量がフォトダイオード等の光検出器５３によって検出されるようになっている。
【００４５】
光検出器５３は、検出した光量を示す光量検出信号Ｓ２を上記制御回路５１に入力する。制御回路５１は、入力された光量検出信号Ｓ２に応じて駆動電流Ｓ１を変化させることにより、該光量検出信号Ｓ２が示す光量が最大となるようにヒータ５０の温度をフィードバック制御する。
【００４６】
このような制御がなされることにより、コリメーターレンズアレイ１４の温度は自動的に、そのレンズピッチがマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチと一致する温度に制御される。つまり、この発光点ピッチとレンズピッチとが互いに最も精度良く一致しているとき、集光レンズ２０による１５本のレーザービーム１２Ｂの収束位置が最も精度良く一致するので、該レーザービーム１２Ｂと光ファイバーとの結合効率が最大になって上記検出光量が最大になるからである。このようにマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の温度を制御することにより、本実施の形態においては、１５本のレーザービーム１２Ｂとマルチモード光ファイバー３０との結合効率が高く安定したものとなる。
【００４７】
なお本実施の形態では、コリメーターレンズアレイ１４の温度を制御しているが、それに代えてマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の温度を制御するようにしても、上記発光点ピッチとレンズピッチとを一致させることができる。この点は、後述する実施の形態についても同様である。そのようにする場合は、高温になるマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を冷却するペルチェ素子等の冷却手段を温度調節手段として適用することが望ましい。また、コリメーターレンズアレイ１４とマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の双方の温度を制御するようにしてもよい。
【００４８】
なお、発光点を５個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を３個用いる代わりに、発光点を１５個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを１個用いてもよい。しかし、マルチキャビティレーザーダイオードチップは発光点が増えてチップ幅が大きくなるほど、作製に際して一般に「スマイル」と称される撓みが発生しやすい。この撓み発生を防止する上では、比較的発光点の少ないマルチキャビティレーザーダイオードチップを複数並べて使用するのが好ましい。
【００４９】
また、マルチキャビティレーザーダイオードチップの発光点数や、それを複数設置する場合の設置数は勿論上記の例に限定されるものではなく、例えば７個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを横に２つ並設し、それを上下に２組配設して合計２８本のレーザービームを発生させることも可能である。さらには、５個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを上下に３つ設置して、１５本のレーザービームを発生させることも可能である。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置１０’の平面形状を示すものである。なおこの図４において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００５１】
この第２の実施の形態によるレーザー装置１０’は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると、コリメーターレンズアレイ１４の温度を制御する構成が異なるものであり、その他の点は基本的に図１〜３のレーザー装置１０と同様に構成されている。
【００５２】
本実施の形態において、コリメーターレンズアレイ１４の端部にはその温度を検出するサーミスタ６０が取り付けられ、該サーミスタ６０が出力する温度検出信号Ｓ３は制御回路６１に入力される。制御回路６１は、入力された温度検出信号Ｓ３に応じて駆動電流Ｓ１を変化させることにより、該温度検出信号Ｓ３が示す温度が所定の目標値となるようにヒータ５０の温度をフィードバック制御する。この場合、例えばコリメーターレンズアレイ１４の温度を掃引するとともに、そのときマルチモード光ファイバー３０から出射するレーザービームＢを図１のハーフミラー５２および光検出器５３等により一部分岐して検出し、その検出光量が最大値となったときの温度が上記目標値とされる。
【００５３】
このような制御を行うことにより、本実施の形態でもコリメーターレンズアレイ１４の温度は、そのレンズピッチがマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチと一致する温度に制御される。そこで、本実施の形態においても、１５本のレーザービーム１２Ｂとマルチモード光ファイバー３０との結合効率が高く安定したものとなる。
【００５４】
なお、上記検出光量が最大値となるコリメーターレンズアレイ１４の温度は、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の経時変化等によって変わる可能性があるから、制御温度の目標値を求めて設定する作業は、例えば１か月に１回等の頻度で行うことが望ましい。
【００５５】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置１０”の平面形状を示すものである。この第３の実施の形態によるレーザー装置１０”は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると、コリメーターレンズアレイ１４の温度を制御する構成が異なるものであり、その他の点は基本的に図１〜３のレーザー装置１０と同様に構成されている。
【００５６】
本実施の形態において、駆動電流Ｓ１を変化させることによりヒータ５０の温度を制御する制御回路７１には、参照テーブル７２と入力部７３とが接続されている。参照テーブル７２には、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチの製造誤差や、その駆動時間増加に伴う経時劣化特性、さらには環境温度に対する発光点ピッチの変化特性等と、それらに対応したコリメーターレンズアレイ１４の適切な温度とが記憶されている。この適切な温度とは、コリメーターレンズアレイ１４のレンズピッチがマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチと一致するようになる温度である。
【００５７】
一方入力部７３は、例えば図示しないマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の駆動回路に接続された自動入力部と、キーボード等の手動入力部とからなり、自動入力部からはマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の通算駆動時間を示す情報が、また手動入力部からは、使用するマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２について実測された発光点ピッチの製造誤差を示す情報や、一定に保たれる該レーザー装置１０”の設置室内の温度を示す情報が制御回路７１に入力される。
【００５８】
制御回路７１は、これらの情報を示す信号Ｓ５を受けると、それが示すマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチの製造誤差や、その通算駆動時間や、レーザー装置１０”の設置室内の温度に対応したコリメーターレンズアレイ１４の適切な温度を参照テーブル７２から読み出し、その温度を制御目標値として決定する。そして制御回路７１は該目標値に応じて駆動電流Ｓ１の値を変え、コリメーターレンズアレイ１４を上記目標値の温度に設定する。
【００５９】
コリメーターレンズアレイ１４の温度を上述のようにオープン制御することにより、該コリメーターレンズアレイ１４のレンズピッチはマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチと一致するようになる。そこで、本実施の形態においても、１５本のレーザービーム１２Ｂとマルチモード光ファイバー３０との結合効率が高く安定したものとなる。
【００６０】
なお、上述のようして定める制御温度の目標値は、レーザー装置１０”の駆動中に微小な時間間隔で随時設定し直すようにしてもよいし、また、例えばレーザー装置１０”を立ち上げる毎に、あるいは１日毎に、さらには１週間毎に、等の比較的長い所定間隔で設定し直すようにしてもよい。
【００６１】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図６および７はそれぞれ、本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置１１０の平面形状および側面形状を示すものである。図示されるようにこのレーザー装置１１０は、銅または銅合金等から階段状に形成されたヒートブロック（ステム）１１１と、その上に上下方向および前後方向位置を変えて固定された２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’，１２’と、合成樹脂あるいはガラスから形成されて各々マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’，１２’に対応させて配設された２個のコリメーターレンズアレイ１４’，１４’と、集光レンズ２０とを有している。そしてこのヒートブロック１１１はベース板２１上に固定されている。またこのベース板２１上にはファイバーホルダ２３が固定され、その上にマルチモード光ファイバー３０の入射端部が保持されている。
【００６２】
ヒートブロック１１１は、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’を固定する水平なレーザー固定面１１１ａと、このレーザー固定面１１１ａよりも前方側（レーザービーム１２Ｂの出射方向）に一段下げて形成された水平なレンズ固定面１１１ｆとの組を２つ有している。各レーザー固定面１１ａおよびレンズ固定面１１ｆは、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００６３】
このヒートブロック１１１は、下から順に４枚の薄い平板１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃおよび１１１Ｄが積層固定されてなるものである。これらの平板１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃおよび１１１Ｄは一例としてＡｌＮからなるものであり、互いにメタル固定されている。なお平板の材料としてはこれに限らず、その他Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｓｉ等を用いることもできる。ＡｌＮからなる平板を用いる場合は、互いの接合面とレーザー固定面およびレンズ固定面をメタライズしてから、互いをメタル固定する。また、Ｃｕからなる平板を用いる場合は、互いの接合面をＡｕメッキしてから、半田によって互いを固定する。
【００６４】
本実施の形態におけるヒートブロック１１１は、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置およびコリメーターレンズ光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ平板１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃおよび１１１Ｄが積層されてなるものとされている。すなわち、平板１１１Ａの上面のうち平板１１１Ｂより前方に突出した部分がそのままレンズ固定面１１１ｆとされ、平板１１１Ｂの上面のうち平板１１１Ｃより前方に突出した部分がそのままレーザー固定面１１１ａとされ、平板１１１Ｃの上面のうち平板１１１Ｄより前方に突出した部分がそのままレンズ固定面１１１ｆとされ、平板１１１Ｄの上面がそのままレーザー固定面１１１ａとされている。
【００６５】
本実施の形態では、平板１１１Ｃのレンズ固定面１１１ｆに、幅１ｍｍ程度、深さ４μｍ程度で図６の上下方向に延びる溝１２０がエッチングによって形成されている。この溝１２０の表面部分はＡｕメッキが施されている。そして、この溝１２０内に半田をセットし、端面がメタライズされたコリメーターレンズアレイ１４’を溝１２０の上部において高精度に位置決めした後、半田を加熱することにより、該コリメーターレンズアレイ１４’がレンズ固定面１１１ｆに固定される。また、平板１１１Ａのレンズ固定面１１１ｆにも同様の溝１２０が２本形成され、上記と同様にしてこのレンズ固定面１１１ｆにコリメーターレンズアレイ１４’および集光レンズ２０が半田固定される。
【００６６】
なお、ここでは、レンズ固定面１１１ｆの方に溝１２０を形成しているが、そのような溝をコリメーターレンズアレイ１４’の方に形成してもよいし、さらには双方に溝を形成してもよい。また、レンズ固定面１１１ｆのコリメーターレンズアレイ１４’が置かれる部分を凸形状にしておくと、両者の接合面積を小さくすることができ、それにより、半田融解時の熱歪による影響を低減することができる。
【００６７】
また、平板１１１Ｂ、１１１Ｄのレーザー固定面１１１ａに対するマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’の固定にも、上述のような固定法を適用することができる。さらに、コリメーターレンズアレイ１４’および集光レンズ２０、並びにマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’は、接着剤を用いてヒートブロック１１１に固定することも可能である。
【００６８】
コリメーターレンズアレイ１４’および集光レンズ２０は、レンズ固定面１１１ｆに密着しているので、上述のような方法で固定する際に半田が融解しても位置ズレを起こすことがなく、よって高精度でヒートブロック１１１に固定可能となる。
【００６９】
本実施の形態では、上記の通りコリメーターレンズアレイ１４’および集光レンズ２０をメタル（半田）固定するとともに、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’もメタル固定するようにしているので、レンズ固定面１１１ｆおよびレーザー固定面１１１ａの表面をＴｉＰｔＡｕでメタライズしてから、その上にＡｕを蒸着している。このようなメタル固定を適用することにより、平板１１１Ａ〜１１１Ｄの積層界面の接触抵抗の増大が抑えられるので、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’からヒートブロック１１１への熱拡散が良好になされ得る。
【００７０】
そして、複数の平板１１１Ａ〜１１１Ｄを積層固定して形成されるヒートブロック１１１は、１つの部材を切削加工して形成されるヒートブロックと比べるとより安価に形成可能であり、したがって、このようなヒートブロック１１１を用いることによりレーザー装置のコストダウンが実現される。
【００７１】
上述のような平板１１１Ａ〜１１１Ｄは、通常は両面研磨加工で形成されるため、高平坦度、高平行度で、かつ厚み精度も高いものが低コストで得られるようになっている。そこで、このような平板１１１Ａ〜１１１Ｄを積層して形成されるヒートブロック１１１は、切削加工されるブロックと比較しても寸法精度が特に劣るようなことはない。具体的に、レンズ固定面１１１ｆやレーザー固定面１１１ａは、前述したように平面度が０．５μｍ以下の高平坦面に加工される必要があるが、このヒートブロック１１１は、そのような要求も満足するものとなっている。
【００７２】
一方マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’は、一例としてＧａＮ系レーザーダイオードからなる発振波長が４０５ｎｍのもので、１０個のキャビティを備えたもの、つまり１０個の発光点１２ａを有するものとされている。本実施の形態において、上記１０個の発光点１２ａは０．３５ｍｍのピッチで形成され、各々から出力５０ｍＷのレーザービーム１２Ｂが発せられる。
【００７３】
各コリメーターレンズアレイ１４’は、１０個のコリメーターレンズ１４ａが一列に一体的に形成されてなるものである。本実施の形態において１つのコリメーターレンズ１４ａは、軸対称レンズの光軸を含む一部を細長く切り取った形状とされ、その焦点距離は０．９ｍｍ、有効高さは１．３ｍｍで、レーザービーム１２Ｂの断面形状に合わせて縦横比が例えば３：１とされている。これら１０個のコリメーターレンズ１４ａのピッチは、それぞれマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’の発光点ピッチに合わせて０．３５ｍｍ（誤差は０．２μｍ以下）とされている。
【００７４】
上述のようにコリメーターレンズアレイ１４’をヒートブロック１１１に取り付ける際、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’の１０本の発光軸と、各コリメーターレンズ１４ａの光軸とが一致し、また各コリメーターレンズ１４ａの焦点位置がマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’の各発光点１２ａに来るように、コリメーターレンズアレイ１４’が位置調整される。
【００７５】
他方、集光レンズ２０は幅が５ｍｍ、有効高さが３．８ｍｍ、焦点距離が１１ｍｍのトランケート型レンズである。またマルチモード光ファイバー３０はコア径が５０μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２のものである。
【００７６】
上記の構成において、１個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’から発せられた１０本のレーザービーム１２Ｂは、コリメーターレンズアレイ１４’の各コリメーターレンズ１４ａによって平行光とされ、次いで集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア（図示せず）の入射端面上で収束する。また、もう１個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’から発せられた１０本のレーザービーム１２Ｂについても同様である。これらの２０本のレーザービーム１２Ｂはマルチモード光ファイバー３０のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。
【００７７】
２０本のレーザービーム１２Ｂは、マルチモード光ファイバー３０のコア端面に集光スポット径約４０μｍで収束する。これらのレーザービーム１２Ｂのファイバー結合における損失、およびコリメーターレンズ１４ａ並びに集光レンズ２０を透過する際の損失の合計は２０％である。その場合、各レーザービーム１２Ｂの出力が前述のように５０ｍＷであるならば、８００ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００７８】
本実施の形態では、２個のコリメーターレンズアレイ１４’の各々にヒータ５０が取り付けられ、また各ヒータ５０に対して、前記第３実施の形態で用いられたものと同様の制御回路７１、参照テーブル７２および入力部７３が設けられている。それにより２個のコリメーターレンズアレイ１４’は、互いに独立して温度調節可能となっている。この温度調節は、上記第３実施の形態におけるのと全く同様にしてなされる。それにより本実施の形態においても、コリメーターレンズアレイ１４’のレンズピッチがマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２’の発光点ピッチと一致するようになる。そこで、２０本のレーザービーム１２Ｂとマルチモード光ファイバー３０との結合効率が高く安定したものとなる。
【００７９】
なおこの図６および図７に示したような光学要素からなるレーザー装置に対しても、第１あるいは第２の実施の形態でなされたような温度調節を行うことが可能である。
【００８０】
以上、マルチキャビティレーザーダイオードを用いる実施の形態について説明したが、シングルキャビティレーザーダイオードを複数用いるレーザー装置においても、シングルキャビティレーザーダイオードの配設ピッチ（この場合はそれが発光点ピッチとなる）がそれを固定したブロックの温度変化による膨張、収縮によって変わることがあり、また温度変化に起因してコリメーターレンズアレイのレンズピッチが変わることもあるので、本発明を適用することが好ましいと言える。
【００８１】
また本発明に用いるコリメーターレンズアレイは、前述した図１や図４の集光レンズ２０と一体化して、集光作用も備えるように形成されてもよい。
【００８２】
また本発明のレーザー装置において、レーザーダイオードとしては、ＧａＮ系レーザーダイオードに限らず、その他の種類のものを適用することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図２】図１のレーザー装置の側面図
【図３】図１のレーザー装置の部分正面図
【図４】本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図５】本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図６】本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図７】図６のレーザー装置の側面図
【符号の説明】
１０、１０’、１０”、１１０レーザー装置
１２、１２’ マルチキャビティレーザーダイオードチップ
１２ａ発光点
１２Ｂレーザービーム
１４、１４’ コリメーターレンズアレイ
１４ａコリメーターレンズ
２０集光レンズ
３０マルチモード光ファイバー
５０ヒータ
５１、６１、７１制御回路
５２ハーフミラー
５３光検出器
６０サーミスタ
７２参照テーブル
７３入力部

Claims

複数の発光点が一列に並ぶように構成された１個または複数のレーザーダイオードと、
前記複数の発光点から発せられた発散光状態のレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイと、
このコリメーターレンズアレイによって平行光化されたレーザービームを集光する集光レンズと、
この集光レンズによる複数のレーザービームの収束位置にコア端面が位置するように配されて、これらのレーザービームを１本に合波する光ファイバーとを備えてなるレーザー装置において、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、
前記光ファイバーから出射したレーザービームの光量を検出する光量検出手段と、
この光量検出手段が検出する光量が最大となるように前記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを備えたことを特徴とするレーザー装置。
複数の発光点が一列に並ぶように構成された１個または複数のレーザーダイオードと、
前記複数の発光点から発せられた発散光状態のレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイと、
このコリメーターレンズアレイによって平行光化されたレーザービームを集光する集光レンズと、
この集光レンズによる複数のレーザービームの収束位置にコア端面が位置するように配されて、これらのレーザービームを１本に合波する光ファイバーとを備えてなるレーザー装置において、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段と、
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を所定の目標値に設定するように前記温度調節手段の駆動を制御する制御回路とを備えたことを特徴とするレーザー装置。
前記レーザーダイオードおよび／またはコリメーターレンズアレイの温度を検出する温度検出手段が設けられ、
前記制御回路が、この温度検出手段が検出した温度に基づいて前記温度調節手段の駆動をフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項２記載のレーザー装置。
前記レーザーダイオードを温度調節する温度調節手段が、冷却手段であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザー装置。
前記コリメーターレンズアレイを温度調節する温度調節手段が、ヒータであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザー装置。