JP3741108B2 - レーザー発光モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子の発光する光の波長を変換するレーザー発光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プレゼンテーション等において参照箇所を指し示すために、スポット光を照射するポインタが用いられている。これらのポインタでは、光によって該当部分を指示するため、指示対象からある程度離れた位置からでも指示可能であり、また、棒状の指示器具よりも小型なので取り扱いが容易だという特徴がある。光を照射する対象までの距離に依らずに、使用者が意図した領域を指し示すためには、ポインタが発する光の拡がりが小さいことが必要であり、半導体レーザーが発振するレーザー光を用いることが好適である。
【０００３】
従来からレーザーポインタの発光に用いられていた半導体レーザーは、主として赤色を発光するレーザーダイオードであり、多くの場合赤外に近い赤色が用いられるため比視感度が低く、視認性を向上させるためには発光の出力を上げる必要があった。しかし、レーザー光は極めて狭い領域に光が集中するため、直接人の目にレーザー光が入射した場合に人体に影響を及ぼさない程度の出力とすることが望ましいとされている。波長４００ｎｍ乃至７００ｎｍのレーザー光では、「レーザー光線による障害の防止対策要綱」によると１ｍＷ以下の出力が望ましいとされている。
【０００４】
出力を１ｍＷ以下に制限すると、前述したように赤色のレーザーダイオードによるレーザー光は比視感度が低く、プロジェクタを用いてプレゼンテーションを行う場合などには、ポインタからの光によって指し示された位置を認識することが困難になってしまう。そこで、赤色よりも比視感度が高い波長領域のレーザー光を用いるレーザーポインタとして、レーザーダイオードが発振した光により励起される固体レーザー媒質と、固体レーザー媒質の励起によって発生した光を波長変換する非線形光学素子とを、ダイクロイックコートで挟み込んで光共振器を形成して、赤色よりも波長の短いレーザー光を取り出すレーザーポインタが提案されている。（例えば特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３２６３８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体レーザーの波長を短い波長に変換する技術では、レーザーダイオードと固体レーザー媒質と非線形光学素子による波長変換の効率が温度に依存するため、温度制御を行うための装置が必要となり、レーザーポインタの小型化および低コスト化が困難であった。波長変換が温度に依存するため、温度が変化した場合にレーザー光の出力が急激に変化して不安定化し、レーザー光を照射した領域の明るさが不安定になって視認性が悪化してしまう。また、温度変化によってレーザー光の出力が変化して、人体に影響を与える可能性が高くなってしまうという問題もあった。
【０００７】
また、上述した特許文献１に開示されている技術では、レーザーダイオード、光共振器、電池駆動回路などが単独で筐体内に配列されている。このため、レーザーポインタを製造する際に全ての部品を取り扱う必要があり、各部品に汚れが付着する可能性が高く、装置の故障率が高くなり寿命も短期化する可能性が高かった。また、部品の点数が多いため組立工数が増加し、さらに、部品の多くが光学部品であることから、取り付け精度が要求されて組立作業が容易ではなかった。
【０００８】
したがって本願発明は、安定した出力で発光することが可能なレーザー発光モジュールを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明のレーザー発光モジュールは、固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質が発光した光の波長を変換する非線形光学素子と、前記固体レーザ媒質と前記非線形光学素子とを挟装して光を往復させる一対の共振反射部とからなる共振器と、前記固体レーザ媒質を励起するための光を発光するレーザーダイオードと、前記共振器が発光する光を検出する受光検出部と、前記共振器が射出した光を取り出す窓部が形成されて前記共振器と前記レーザーダイオードと前記受光検出部を収納するウィンドウキャップとを有し、前記受光検出部は、前記共振器が発光する光の主たる進行方向に対して前記レーザーダイオードよりも後方に配置され、前記ウィンドウキャップの窓部が形成された面は、前記共振器が射出した光の主たる進行方向に対して非垂直な面である斜開窓面を形成することで前記共振器が射出した光を分割反射し、前記ウィンドウキャップの側面の一部は、前記共振器が射出した光の主たる進行方向に対して非平行な平面である斜側平面を形成することで前記分割反射された光を前記受光検出部に入射させることを特徴とする。
【００１０】
ウィンドウキャップ内にレーザーを発光するための素子群を収納することにより、レーザーダイオードや共振器に塵芥が付着することを防止することができる。これにより、レーザー発光モジュールを電子機器に搭載する際の取り扱いが容易になり、さらに、レーザー発光モジュールの信頼性向上や長寿命化を図ることが可能となる。また、光を透過すると共に気密を保持する気密部材を窓部に取り付け、ウィンドウキャップの内部を気密保持することで、さらに防塵効果を高めることが可能となる。
【００１１】
共振器から外部へ射出される光の波長を選択する光学フィルターをレーザー発光モジュールに取り付けることで、共振器によって変換されたレーザー光の波長以外の波長を有する光を遮断し、レーザー発光モジュールの発光特性を向上させることができる。この光学フィルターを窓部に取り付け、ウィンドウキャップの内部の気密を保持して防塵効果を高めても良い。
【００１２】
また、共振器から発光される光の一部を分割反射し、この分割反射した光を検出する受光検出部とをレーザー発光モジュールに備えることで、分割されたレーザー光の強度を測定することができ、測定強度に応じてレーザーダイオードを駆動することでモジュール外部に射出されるレーザー光の強度を制御することが可能となる。このとき、共振器から外部へ射出される光の波長を選択する光学フィルターを取り付け、光学フィルターの表面を分割反射部として用いることで、モジュールを構成する部品点数を削減するとしてもよい。
【００１３】
受光検出部は、受光した光を強度に応じて電気信号に変換するフォトダイオードと、フォトダイオードの受光部前面に配置されてフォトダイオードが発光する光の波長を選択する第二の光学フィルターとにより構成してもよい。また、受光検出部は、受光した光を強度に応じて電気信号に変換するフォトダイオード上に、特定の波長の光のみを透過する光選択層を形成してもよい。
【００１４】
受光検出部を、共振器が発光する光の主たる進行方向に対して、レーザーダイオードよりも後方に配置することで、モジュールの小型化を図ることができる。このとき、分割反射した光を受光検出部に対して反射させる反射面を取り付けると、受光検出部を配置することができる自由度が向上する。
【００１５】
斜開窓面と斜側平面とが形成されていることにより、レーザー光の一部を分割反射させて受光検出部で受光するための部材を収納し易くなり、モジュールの小型化を図ることが可能となる。また、斜側平面の内面に光を反射する反射面を形成して、レーザー光をウィンドウキャップ内で反射させることで、内部に収納する部品点数を削減することもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したレーザー発光モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１７】
本実施の形態におけるレーザー発光モジュールについて、図１および図２を用いて説明する。図１は断面図であり、図２は分解斜視図である。レーザー発光モジュール５は、レーザーダイオードが取り付けられるヘッダー５１と、熱を外部に伝導して放熱を行うヒートシンク５２と、モジュール内部を保護するウィンドウキャップ５３とで外形が構成されている。ウィンドウキャップ５３内部には、固体レーザー媒質を励起する光を発光するレーザーダイオード５４と、レーザー光の波長を変換する光共振器５５と、光共振器５５を固定保持するベース部材５６と、レーザー光の波長を選択する光学フィルター５７，５８と、レーザー光をフォトダイオード側に反射する反射鏡５９と、フォトダイオードと光学フィルター５８の間隔を保持するスペーサー６０と、レーザー光の強度を電気信号に変換するフォトダイオード６１が収納されている。
【００１８】
ヘッダー５１は略円盤形状の部材であり、直径の異なる円盤が二つ接合して外形を形成している。直径の小さい円盤はレーザー発光モジュール５の内部側に向けて配置され、隣接するヒートシンク５２と嵌合して接続される。ヒートシンク５２とヘッダー５１との接触部分は気密を保って接合されており、接合部分からの気体の出入りが防止されている。また、ヘッダー５１には外部端子６２と内部端子６３とが形成されており、外部端子６２と内部端子６３とが電気的に接続されていることで、レーザー発光モジュール５の外部から内部に対して電流を供給可能となっている。
【００１９】
ヒートシンク５２はフランジ状部分５２ａと台座部分５２ｂとが一体に形成された形状の部材である。ヒートシンク５２は光共振器５５を保持するベース部材５６およびレーザーダイオード５４と接触して配され、レーザーダイオード５４および光共振器５５が発する熱をモジュール外部に伝導して放出するための部材であり、熱伝導率の高い金属等によって形成され、例えば銅が用いられる。
【００２０】
フランジ状部分５２ａの外径はレーザー発光モジュール５の最大の直径であり、その外周表面はモジュール表面に露出している。フランジ状部分５２ａの内径は、ヘッダー５１が嵌合される大きさであり、ヘッダー５１が嵌合されて接触部分の気密を保つように接合されている。台座部分５２ｂは、円柱を中心軸方向に分割した半円柱状を成し、フランジ状部分５２ａの図中下側半分を覆うように形成されている。また、台座部分５２ｂにはレーザーダイオード５４が取り付けられて、レーザーダイオード５４をウィンドウキャップ５３の中心軸位置に保持する。また、台座部分５２ｂは、ウィンドウキャップ５３をヒートシンク５２に取り付けた際に、ウィンドウキャップ５３内部に収容される。
【００２１】
ウィンドウキャップ５３は略円筒形状の側壁５３ｄと、円筒の中心軸に対して斜めに形成された斜開窓面５３ａと斜側平面５３ｃを有する形状の部材である。ウィンドウキャップ５３のヒートシンク５２側に位置する一方は開放されており、ヒートシンク５２と反対側には側壁５３ｄの中心軸に対して斜めに斜開窓面５３ａが形成され、斜開窓面５３ａには窓部５３ｂが開口されている。また、側壁５３ｄの一部が中心軸方向に屈曲して、中心軸に対して斜めの平面である斜側平面５３ｃを形成している。斜開窓面５３ａと斜側平面５３ｃとはＬ字型に交差しているが、二平面が交差する角度は直角である必要は無い。また、二平面が交差する角度は、後述するように斜開窓面５３ａに形成された光学フィルター５７で反射されたレーザー光を、斜側平面５３ｃに形成された反射鏡５９でさらに反射してフォトダイオード６１に対して入射させることが可能な位置および角度関係を保って形成されている。
【００２２】
ウィンドウキャップ５３の側面直径はヒートシンク５２の台座部分５２ｂを収納可能な大きさであり、後述する光共振器５５やベース部材５６、光学フィルター５７，５８、反射鏡５９、スペーサー６０およびフォトダイオード６１をウィンドウキャップ５３の内部に収容することが可能である。また、ヒートシンク５２およびベース部材５６はウィンドウキャップ５３の内部で図１下方に偏在して形成されているため、ウィンドウキャップ５３内の図１上方は部材が配置されておらず空間を確保している。
【００２３】
ウィンドウキャップ５３の開放された側は、ヒートシンク５２のフランジ状部分５２ａと接合されて、接合部分での気密が保持されている。接合には様々な方法を用いることが可能であるが、ヒートシンク５２表面にニッケルメッキを施して所要の溶接法を用いてウィンドウキャップ５３とヒートシンク５２とを接着し、気密を確保するとしてもよい。
【００２４】
窓部５３ｂは、ウィンドウキャップ５３の斜開窓面５３ａに形成された開口部であり、レーザー発光モジュール５内部で発生した光をモジュール外部に取り出すための光取出し口として機能する。窓部５３ｂは、レーザー光の取り出し口であるので、モジュール内部から射出されるレーザー光の経路上に形成され、ウィンドウキャップ５３の斜開窓面５３ａの略中心に位置している。図中では窓部５３ｂは略円形状に開口されているが、モジュール内部から射出されるレーザー光を外部に取り出すことが可能であれば形状は問わない。また、窓部５３ｂの大きさも、モジュール内部からレーザー光を射出することが可能な大きさであればよい。また、窓部５３ｂには後述する光学フィルター５７が取り付けられて、気密が確保される。
【００２５】
ウィンドウキャップ５３は内部に収容した各部材の保護を目的とした部材であるため、通常の電子部品の取り扱い時に生じる圧力に耐えうる程度の剛性を有することが望ましい。また、ヒートシンク５２と接合されるため、ヒートシンク５２が伝導する熱を効率的にモジュール外部に放出するためには熱伝導率が高い材質によって形成されることが望ましい。また、レーザー発光モジュール５内部で発生した光を外部に取り出す位置を窓部５３ｂに限定するために、遮光性を有する必要がある。
【００２６】
レーザーダイオード５４は、電圧を印可すると所定の波長のレーザー光を発振する素子であり、例えばガリウム・アルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）の半導体レーザー素子である。本実施の形態では、波長が８０８ｎｍのレーザー光を発振するものを用いる。レーザーダイオード５４は、ヒートシンク５２の台座部分５２ｂに接触して配置される。この際、レーザーダイオード５４の発光面がウィンドウキャップ５３に形成された窓部５３ｂ方向に向けて配置され、光共振器５５との距離を小さくするために台座部分５２ｂの窓部５３ｂ側端面付近に配置される。
【００２７】
また、図示していないがレーザーダイオード５４は内部端子６３と電気的に接続されて、外部端子６２に印加された電圧に応じて波長が８０８ｎｍのレーザー光を発振する。レーザーダイオード５４はレーザー光の発光時の発熱をヒートシンク５２に伝導して、ヒートシンク５２からモジュール外部に放熱を行う。このため、レーザーダイオード５４とヒートシンク５２の台座部分５２ｂとは、高い熱伝導率を有する接着方法が望まれ、例えば半田を用いることが好ましい。
【００２８】
光共振器５５は、レーザーダイオード５４が発光したレーザー光の波長を変換して異なる波長のレーザー光を発光する部材であり、固体レーザー媒質５５ａと非線形光学素子５５ｂとが接合されて、所定の波長の光を反射するダイクロイックコートで挟み込まれた構造を有している。光共振器５５はベース部材５６に保持されて、固体レーザー媒質５５ａがレーザーダイオード５４に隣接し、非線形光学素子５５ｂが窓部５３ｂ側になるようにウィンドウキャップ５３の中心軸付近に配される。このとき、光共振器５５とレーザーダイオード５４とは接触せず、数μｍ程度の間隙をおいて配される。
【００２９】
光共振器５５が入射されたレーザー光の波長を変換して、異なる波長のレーザー光を射出するメカニズムは、二次高調波の発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）として知られるものである。本実施の形態では、固体レーザー媒質としてＮｄ：ＹＶＯ4 を用い、非線形光学素子としてリンチタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4 ：以下ＫＴＰ）を用いるが、他の材質によって光共振器１５を構成しても構わない。レーザーダイオード５４が発振した波長８０８ｎｍのレーザー光は、固体レーザー媒質５５ａに入射されて固体レーザー媒質５５ａの電子状態を励起し、固体レーザー媒質５５ａが１０６４ｎｍの波長の光を発光する。固体レーザー媒質５５ａが発光した波長１０６４ｎｍの光は、非線形光学素子５５ｂに入射して更に波長が変換され、光共振器５５から波長５３２ｎｍのレーザー光が発光される。
【００３０】
レーザーダイオード５４が発光した光は拡がり角度が大きいため、レーザーダイオード５４から射出された８０８ｎｍの光は、固体レーザー媒質５５ａに到達するまでに光径が拡大し、単位面積あたりのエネルギー密度が低下してしまう。このため、レーザーダイオード５４の発光面と固体レーザー媒質５５ａの端面とは可能な限り接近させて、固体レーザー媒質５５ａでの波長１０６４ｎｍの光を励起する効率を向上させることが重要である。
【００３１】
ベース部材５６は、光共振器５５を固定するとともに光共振器５５で発する熱をヒートシンク５２に伝導するための部材である。したがって、ベース部材５６は高い熱伝導率を有する材質によって形成することが望ましく、例えば銅により形成されるとする。ベース部材５６は、矩形状の溝部５６ａが形成された直方体形状を成しており、光共振器５５を溝部５６ａに嵌合して保持すると共に、ヒートシンク５２の台座部分５２ｂに接触して配される。これにより、光共振器５５が発する熱をヒートシンク５２に伝導すると共に、台座部分５２ｂに保持されているレーザーダイオード５４と光共振器５５とを隣接させることができる。
【００３２】
また、光共振器５５の熱を効率的にベース部材５６に伝えるために、光共振器５５とベース部材５６との接着には熱伝導性の高い接着剤を用いることが望ましく、例えば銀ペーストが好適である。さらに、ベース部材５６とヒートシンク５２との接着も熱伝導性の高い接着剤を用いることが望ましく、例えば銀ペーストが好適である。または、ヒートシンク５２とベース部材５６とを同一の部材として一体に形成しても良い。
【００３３】
光学フィルター５７は斜開窓面５３ａの形状と略同一形状の平板状の部材であり、斜開窓面５３ａに密着して配置されて窓部５３ｂでの気密を確保する。窓部５３ｂで気密を確保するために、光学フィルター５７の外形は窓部５３ｂの口径よりも大きく、ウィンドウキャップ５３の斜開窓面５３ａと光学フィルター５７とは気密性を確保するように接着される。斜開窓面５３ａがウィンドウキャップ５３の側壁の中心軸に対して斜めに形成されているため、光学フィルター５７も中心軸に対して斜めに配置され、光共振器５５から射出されたレーザー光の進行方向に対しても斜めに配置される。レーザー光の主たる進行方向である中心軸に対して斜めに光学フィルター５７が配置されることで、光共振器５５から発光されたレーザー光の一部を光学フィルター５７で反射鏡５９方向に反射させることができる。
【００３４】
光学フィルター５７は、所定の波長の光を吸収する光学特性を有する部材である。本実施の形態では、光学フィルター５７の材質は、レーザーダイオード５４が発光する波長８０８ｎｍの光と、固体レーザー媒質５５ａが発光する波長１０６４ｎｍの光を効率よく反射または吸収して遮り、非線形光学素子５５ｂで変換された波長５３２ｎｍのレーザー光を通過するものを選択する。波長８０８ｎｍと波長１０６４ｎｍの光を光学フィルター５７が吸収するため、ウィンドウキャップ５３内部から窓部５３ｂを通過して外部に射出される光は波長が５３２ｎｍの緑色のレーザー光となる。
【００３５】
また、光共振器５５が発光したレーザー光が光学フィルター５７に入射すると、空気と光学フィルター５７の屈折率が異なるために、光学フィルター５７の表面でレーザー光が一部反射される。光学フィルター５７の表面で反射されたレーザー光は、斜側平面５３ｃ方向へ反射されて、後述する反射鏡５９に入射する。光学フィルター５７表面で反射されるレーザー光の割合は、光学フィルター５７の屈折率や表面状態によって定まり、通常７％程度の光が反射される。レーザー光は、光学フィルター５７から空気に入射する際にも一部が反射されるため、全体として１４％程度のレーザー光が反射鏡５９に対して反射されることになる。光学フィルター５７表面にコーティングを施して反射される光の割合を増減させることも可能である。また、光学フィルター５７として、ガラス板などの光を通過する材質に、通過する光の波長を選択する誘電体を形成したものを用いても良い。
【００３６】
反射鏡５９は、ウィンドウキャップ５３の斜側平面５３ｃの形状と略同一形状の部材であり、入射光を表面で反射する鏡として機能する。反射鏡５９は斜側平面５３ｃに形成されるため、反射鏡５９もウィンドウキャップ５３の中心軸に対して斜めに配される。反射鏡５９の形成は、鏡を斜側平面５３ｃに貼り付けるとしてもよく、また、斜側平面５３ｃに直接鏡面を形成して反射鏡５９として機能させるとしても良い。光学フィルター５７が斜開窓面５３ａに形成され、反射鏡５９が斜側平面５３ｃに形成されることにより、斜開窓面５３ａと斜側平面５３ｃとの角度関係から、光学フィルター５７で反射されたレーザー光の一部は反射鏡５９で再び反射され、後述するフォトダイオード６１に入射することになる。
【００３７】
光学フィルター５８は、所定の波長の光を吸収する光学特性を有する部材であり、反射鏡５９が反射した光がフォトダイオード６１に到達する経路上に配置される。本実施の形態では、レーザーダイオード５４が発光する波長８０８ｎｍの光と、固体レーザー媒質５５ａが発光する波長１０６４ｎｍの光を効率よく吸収し、非線形光学素子５５ｂで変換された波長５３２ｎｍのレーザー光を透過するものを選択する。波長８０８ｎｍと波長１０６４ｎｍの光を光学フィルター５７が吸収するため、光学フィルター５７の表面および反射鏡５９で反射された光のうち、フォトダイオード６１に入射する光の波長が５３２ｎｍの緑色のレーザー光のみとなる。また、光学フィルター５８をフォトダイオード６１の受光面の前に配置することでフォトダイオード６１が受光する光の波長を選択する他に、フォトダイオード６１の受光面上に誘電体を形成して、透過する光の波長を選択するとしても良い。
【００３８】
スペーサ６０は、フォトダイオード６１と光学フィルター５８との間に空間を確保するために取り付けられる円筒形状の部材である。スペーサ６０で光学フィルター５８を保持して、フォトダイオード６１と光学フィルター５８との間に電気配線を形成する空間を確保する。
【００３９】
フォトダイオード６１は、受光面に照射された光を強度に応じた電気信号に変換する素子である。図示していないが、フォトダイオード６１には電気配線が形成されて、電気配線を介して内部端子６３に電気的に接続され、受光した光の強度を変換した電気信号を外部端子６２に伝達する。フォトダイオード６１が受光する光は、光共振器５５から射出した光のうち、光学フィルター５７表面で反射されて、反射鏡５９で再度反射され、光学フィルター５８を通過した光である。したがってフォトダイオード６１はヘッダー５１に保持されて、光学フィルター５８を通過した光を受光する位置に配置される。フォトダイオード６１で受光した光は光共振器５５が発光した光の一部であるため、フォトダイオード６１で受光した光の強度に基づいて、窓部５３ｂから射出されるレーザー光の強度を計算によって求めることが可能となる。
【００４０】
フォトダイオード６１をヘッダー５１に配置することで、内部端子６３とフォトダイオード６１とを電気的に接続することが容易となり、また、フォトダイオード６１がレーザーダイオード５４よりも後方に配置されてレーザー発光モジュール５の小型化を行うことが可能となる。
【００４１】
ウィンドウキャップ５３内部に各部材を収容して配置する際には、クリーンルーム内などの清浄な乾燥空気の環境下で組み立てを行う。組み立て時には、ウィンドウキャップ５３の窓部５３ｂと光学フィルター５７との気密を確保し、ウィンドウキャップ５３とヒートシンク５２との気密を確保し、ヒートシンク５２とヘッダー５１との気密を確保するため、レーザー発光モジュール５の内部は完全に気密封止される。モジュール内を露点が−４０℃程度の乾燥空気で気密封止することにより、モジュール内に配置されているレーザーダイオード５４および光共振器５５に対する汚れの付着や低温環境下での結露を防止することができる。これによりレーザーダイオード５４や光共振器５５の長寿命化や故障率の低減、歩留まりの向上を図ることが可能となり、レーザー発光モジュール５の信頼性を向上させることができる。空気の代わりに窒素等の不活性ガスを封止してもよい。
【００４２】
図３は、図１および図２に示したレーザー発光モジュール５内部の、各部材間での光の波長変化を模式的に示した図である。レーザーダイオード５４で発振された波長８０８ｎｍのレーザー光が、固体レーザー媒質５５ａを通過して波長１０６４ｎｍの光が発生する。このとき、レーザーダイオード５４が発光した波長８０８ｎｍの光も一部が未変換であり、二つの波長の光が非線形光学素子５５ｂに到達する。非線形光学素子５５ｂでは、波長１０６４ｎｍの光の一部が波長５３２ｎｍに変換されるが、波長１０６４ｎｍの光も波長８０８ｎｍの光も光共振器５５の外部に射出される。
【００４３】
光共振器５５から射出された３つの波長の光は、一部が光学フィルター５７の表面で反射されてフォトダイオード６１に到達する。また、光学フィルター５７を透過した光は、波長１０６４ｎｍと波長８０８ｎｍの光が吸収され、波長５３２ｎｍのレーザー光のみがレーザー発光モジュール５の外部に射出される。
【００４４】
図４は、レーザー発光モジュール５内部でのレーザー光の経路を示した模式図である。レーザーダイオード５４が発光した光によって、光共振器５５でＳＨＧによって波長が変換された光が生じ、窓部５３ｂからレーザー発光モジュール５の外部に射出されるレーザー光の経路と、光学フィルター５７で反射されてフォトダイオード６１に到達する光の経路が矢印で示されている。
【００４５】
光共振器５５から射出された光は、図３を用いて説明したように波長が８０８ｎｍ、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍの３種類の光である。光共振器５５から射出した光は、ウィンドウキャップ５３の中心軸に沿って進行し、光学フィルター５７に入射する。このとき、前述したように光学フィルター５７と空気の屈折率の違いから光の一部が反射鏡５９方向へ反射される。したがって、波長の異なる３種類の光は、光学フィルター５７表面で反射されて、反射鏡５９でも反射されてフォトダイオード６１方向に進行する。フォトダイオード６１の受光面前には、光学フィルター５８が配されているため、波長の異なる３種類の光のうち、波長が８０８ｎｍと１０６４ｎｍの光は光学フィルター５８に吸収され、フォトダイオード６１に到達する光は波長が５３２ｎｍの光のみとなる。
【００４６】
光学フィルター５７を通過した光のうち、光学フィルター５７から空気へと射出する面で、さらに一部が反射鏡５９方向へ反射され、反射鏡５９で再度反射されて光学フィルター５８を通過してフォトダイオード６１に到達する。この光は光学フィルター５７および光学フィルター５８を通過しているため、フォトダイオード６１に到達する光の波長は５３２ｎｍのみとなる。ウィンドウキャップ５３内部では、ヒートシンク５２の台座部分５２ｂやベース部材５６などが図中下方に偏在しているため、図中上方に空間が確保されている。このため、フォトダイオード６１をヘッダー５１に配置したとしても、反射鏡５９で反射した光は空間部分を伝播してフォトダイオード６１に到達することが可能である。
【００４７】
また、光学フィルター５７を通過して窓部５３ｂからレーザー発光モジュール５外部に射出される光は、光学フィルター５７によって波長８０８ｎｍの光と波長１０６４ｎｍの光を吸収されているので、波長５３２ｎｍの光のみとなる。光学フィルター５７で反射される光の割合は、光学フィルター５７の材質や表面状態で定まるので、フォトダイオード６１が受光した光の強度を検出することにより、計算で窓部５３ｂから射出される光の強度を求めることができる。
【００４８】
また、光の主たる進行方向と斜開窓面５３ａとが成す角が直角に近い場合には、光の主たる進行方向と光学フィルター５７と成す角も直角に近くなり、光学フィルター５７で反射された一部の光が光共振器５５に到達し、光共振器５５表面でさらにその光が反射されて光学フィルター５７に戻ってくる。このように光学フィルター５７と光共振器５５との間で多重反射された光が、光学フィルター５７を通過して窓部５３ｂから射出してしまうため、レーザー発光モジュール５が射出するレーザー光が複数の経路を持ち、多数の点を描くことになる。したがって、光の主たる進行方向と斜開窓面５３ａとが成す角を調整して、光学フィルター５７からの反射光が光共振器５５に到達しないようにすることで、光学フィルター５７と光共振器５５との間での多重反射を防止し、窓部５３ｂから射出されるレーザー光を一点に限定することができる。
【００４９】
波長５３２ｎｍの光は人間の視覚には緑色の光として認識され、赤外に近い赤色のレーザー光よりも比視感度が高いため、赤色のレーザー光と同程度の出力で緑色のレーザー光を出力した場合には、赤色よりも視認性が良い。したがって、出力を低下させて人体への影響を与える可能性を低減した場合にも、良好な視認性を確保することが可能である。
【００５０】
また、図３に示したＳＨＧによる波長変換に際しては、レーザーダイオード５４、固体レーザー媒質５５ａおよび非線形光学素子５５ｂのいずれも発光特性や波長変換特性が温度に依存するため、使用環境の温度変化が小さいことが望ましい。例えば、固体レーザー媒質５５ａとしてＮｄ：ＹＶＯ4 を用いる場合には、固体レーザー媒質５５ａを効率よく励起させるための光の波長は８０８．６±２．０ｎｍの領域であることが望まれるが、レーザーダイオード５４は環境温度が１０℃程度変化すると発光波長が３ｎｍ程度変化してしまう。また、固体レーザー媒質５５ａの使用環境温度も２５℃程度に設定して結晶の切り出しを行っているため、温度変化が大きいとＳＨＧによる短波長の発光効率が低下する。
【００５１】
本発明では図１を用いて説明したように、レーザーダイオード５４がヒートシンク５２に熱伝導率の高い半田で接着され、光共振器５５がベース部材５６に熱伝導率の高い接着剤で接着され、ヒートシンク５２とベース部材５６とが熱伝導率の高い接着剤で接着されている。また、ヒートシンク５２とベース部材５６も熱伝導率の高い金属で形成されており、ヒートシンク５２がレーザー発光モジュール５の表面に露出しているため、レーザーダイオード５４と光共振器５５に発生した熱は、ベース部材５６およびヒートシンク５２により効率的に外部に放出されることになる。したがって、本発明のレーザー発光モジュール５では、レーザーダイオード５４と光共振器５５の使用環境温度を安定させることが可能であり、最終的に射出する波長５３２ｎｍのレーザー光を効率よく発光し、出力を安定させることができる。
【００５２】
次に、上述したレーザー発光モジュール５を用いたレーザーポインタについて、図５乃至図８を用いて説明する。図５はレーザーポインタの断面図であり、図６は分解斜視図である。レーザポインタは図６に示すように、レーザー発光モジュール５と、ドライバ部７と、レンズ部８とを組み合わせて構成される。
【００５３】
ドライバ部７はレーザー発光モジュール５と電気的に接続されて、レーザー発光モジュール５に対して電圧を印加して発光を制御する部材である。ドライバ部７は図７に示すように、回路基板７１とドライバ保持部７２と発光モジュール保持部７３とにより構成される。
【００５４】
回路基板７１は電気回路が形成された基板であり、レーザー発光モジュール５の外部端子６２と電気的に接続されている。回路基板７１に形成されている電気回路としては、例えば自動光出力制御回路（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）がある。回路基板７１には、スプリング状の導電部材で形成された電源配線７１ａが取り付けられている。電源配線７１ａに電池等の電力供給源を接続することで、電源配線７１ａが電流を回路基板７１に供給して回路基板７１が駆動される。
【００５５】
光共振器５５が発振したレーザー光の一部を光学フィルター５７および反射鏡５９で反射し、フォトダイオード６１が反射光の強度を検出する。検出した反射光はフォトダイオード６１で電気信号に変換され、反射光強度を示す電気信号が内部端子６３を介して外部端子６２から回路基板７１に伝達される。回路基板７１は、電気信号を基にして窓部５３ｂから射出される光の強度を計算し、電源から供給される電圧を制御することでレーザー発光モジュール５が発振するレーザー光の強度を制御する。回路基板７１がレーザー発光モジュール５の発光強度をＡＰＣ回路で制御することで、レーザーポインタから射出されるレーザー光の強度を確実に一定値以下に設定することができ、人体に影響の少ない出力で継続的にレーザー光の発光を行うことができる。
【００５６】
ドライバ保持部７２はドライバ部７の外形を構成し、回路基板７１と発光モジュール保持部７３とを固定保持する部材である。ドライバ保持部７２は、ドライバ保持部７２に形成された溝部７２ａに回路基板７１の基板部分を嵌合させて保持する筐体として機能する。発光モジュール保持部７３は、ドライバ保持部７２と回路基板７１に固定して取り付けられ、レーザー発光モジュール５と回路基板７１との電気的接続を確保した状態で保持する部材である。発光モジュール保持部７３に形成された溝部７３ａに回路基板７１の基板部分を嵌合させて保持し、回路基板７１と反対側にレーザー発光モジュール５が取り付けられた状態でレンズ部８内部に収納される。
【００５７】
レンズ部８は、レーザー発光モジュール５が発光したレーザー光を平行光に変換するコリメータレンズとして機能する。レンズ部８は図８に示すように、レンズホルダー８１と凹レンズ８２と凸レンズ８３とにより構成される。
【００５８】
レンズホルダー８１は略円筒形状の部材であり、その内径はレーザー発光モジュール５、発光モジュール保持部７３、凹レンズ８２および凸レンズ８３と同程度である。レンズホルダー８１内にはレーザー発光モジュール５、発光モジュール保持部７３、凹レンズ８２および凸レンズ８３が固定して配され、凹レンズ８２と凸レンズ８３が一定間隔で平行に保持される。
【００５９】
レンズホルダー８１は熱伝導率の高い材質、例えば銅によって形成され、レーザー発光モジュール５をレンズホルダー８１内部に固定する際に、ヒートシンク５２とレンズホルダー８１とを熱伝導率の高い接着剤で固定する。これにより、レーザー発光モジュール５内部においてレーザーダイオード５４や光共振器５５で発生した熱を、ヒートシンク５２を介してレンズホルダー８１に伝導して効率的に放熱することができる。上述したように、レーザーダイオード５４や光共振器５５の放熱を効率よく行い、レーザーダイオード５４や光共振器５５の温度を安定させることにより、レーザー光の発光効率を向上させると共に安定した出力の発光を継続することが可能となる。また、温度制御のための複雑な制御系を用いずに安定して出力を得ることができるため、部品点数を削減して低コスト化を図ることも可能である。
【００６０】
凹レンズ８２と凸レンズ８３とは一対でコリメータレンズとして機能し、レーザー発光モジュール５から射出されたレーザー光の光径を凹レンズ８２で拡大し、凸レンズ８３で平行な光に変換する。レーザー発光モジュール５が発振した光が照射される領域を拡大するとともに、平行な光とすることができるため、レーザーポインタを用いて遠方の対象物を指し示す場合にも、一定の光径の光を対象物上に照射することができる。
【００６１】
【発明の効果】
ウィンドウキャップ内にレーザーを発光するための素子群を収納して、レーザー発光モジュールを気密封止することにより、レーザーダイオードや光共振器に塵芥が付着することを防止することができる。これにより、レーザー発光モジュールを電子機器に搭載する際の取り扱いが容易になり、さらに、レーザー発光モジュールの信頼性向上や長寿命化を図ることが可能となる。
【００６２】
光共振器から外部へ射出される光の波長を選択する光学フィルターをレーザー発光モジュールに取り付けることで、共振器によって変換されたレーザー光の波長以外の波長を有する光を遮断し、レーザー発光モジュールの発光特性を向上させることができる。
【００６３】
また、光共振器から発光される光の一部を光学フィルターで反射し、反射した光をフォトダイオードで検出することで、分割されたレーザー光の強度を測定することで、モジュール外部に射出されるレーザー光の強度を制御することが可能となる。
【００６４】
光の主たる進行方向と斜開窓面とが成す角を調整して、光学フィルターからの反射光が光共振器に到達しないようにすることで、光学フィルターと光共振器との間での多重反射を防止し、窓部から射出されるレーザー光を一点に限定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザー発光モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるレーザー発光モジュールの構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態のレーザー発光モジュール内で行われるＳＨＧによる光の波長の変換を、各部での波長を示して説明する模式図である。
【図４】本発明の実施の形態のレーザー発光モジュール内での、光の経路を示した模式図である。
【図５】本発明の実施の形態のレーザー発光モジュールを用いたレーザーポインタの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態のレーザー発光モジュールを用いたレーザーポインタの構成を示す分解斜視図である。
【図７】ドライバ部の構成を示す分解斜視図である。
【図８】レンズ部の構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
５ レーザー発光モジュール
７ ドライバ部
８ レンズ部
５１ ヘッダー
５２ ヒートシンク
５２ａ フランジ状部分
５２ｂ 台座部分
５３ ウィンドウキャップ
５３ａ 斜開窓面
５３ｂ 窓部
５３ｃ 斜側平面
５３ｄ 側壁
５４ レーザーダイオード
５５ 光共振器
５５ａ 固体レーザー媒質
５５ｂ 非線形光学素子
５６ ベース部材
５６ａ，７２ａ，７３ａ 溝部
５７，５８ 光学フィルター
５９ 反射鏡
６０ スペーサ
６１ フォトダイオード
６２ 外部端子
６３ 内部端子
７１ 回路基板
７１ａ 電源配線
７２ ドライバ保持部
７３ 発光モジュール保持部
８１ レンズホルダー
８２ 凹レンズ
８３ 凸レンズ

Claims (3)

  1. 固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質が発光した光の波長を変換する非線形光学素子と、前記固体レーザ媒質と前記非線形光学素子とを挟装して光を往復させる一対の共振反射部とからなる共振器と、
    前記固体レーザ媒質を励起するための光を発光するレーザーダイオードと、
    前記共振器が発光する光を検出する受光検出部と、
    前記共振器が射出した光を取り出す窓部が形成されて前記共振器と前記レーザーダイオードと前記受光検出部を収納するウィンドウキャップとを有し、
    前記受光検出部は、前記共振器が発光する光の主たる進行方向に対して前記レーザーダイオードよりも後方に配置され、
    前記ウィンドウキャップの窓部が形成された面は、前記共振器が射出した光の主たる進行方向に対して非垂直な面である斜開窓面を形成することで前記共振器が射出した光を分割反射し、
    前記ウィンドウキャップの側面の一部は、前記共振器が射出した光の主たる進行方向に対して非平行な平面である斜側平面を形成することで前記分割反射された光を前記受光検出部に入射させる
    ことを特徴とするレーザー発光モジュール。
  2. 前記ウィンドウキャップに気密を保持する気密部材が前記窓部に取り付けられ、前記ウィンドウキャップの内部が気密保持されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発光モジュール。
  3. 前記ウィンドウキャップの窓部には波長を選択する光学フィルターが配置され、前記光学フィルターの表面にて前記共振器が射出した光を分割反射する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発光モジュール。
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