JPH01206682A - 半導体レーザ光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 半導体レーザとその出射光を整形するフレネル・レンズ
とを含む光源において、温度変化による半導体レーザの
発振波長の変化に帰因するフレネル・レンズの焦点距離
の変化を、熱膨脹に帰因するフレネル・レンズの焦点距
離の変化によってほぼ打消すような熱膨脹係数をもつ材
質によってフレネル・レンズを構成した。

発明の背景 この発明は半導体レーザ光源に関し、たとえば半導体レ
ーザからの拡散（発散）する出射光を不等間隔回折格子
（たとえばフレネル・レンズ）によって平行光に変換し
て空間に出射する半導体レーザ光源に関する。

半導体レーザは温度変化によって発振波長が変動する。

入射光の波長か変化するとフレネル・レンズの焦点距離
が変化する。また、フレネル・レンズ自体の温度変化に
よる伸縮によってその焦点距離が変化する。半導体レー
ザの発振波長の変動によるフレネル・レンズの焦点距離
の変化とフレネル・レンズ自体の熱伸縮による焦点距離
の変化とは、一般に、互いに相殺する方向に働くが１通
常は完全に相殺することはできない。このためフレネル
・、レンズ、によって整形されるレーザ・ビームは温度
変化によってその形状が変化する。すなイっち、平行光
であるべきものが発散光になったり、収束光になったり
する。また発散光、収束光の場合にはその発散角、収束
角か変化する。

発明の概要 この発明は、半導体レーザから出力されるレーザ光を不
等間隔回折格子によって整形上で出射させる半導体レー
ザ光源において、温度変化による出射光の出射角度の変
動をできるだけ小さくすることを目的とする。

この発明による半導体レーザ光源は、温度変化によって
半導体レーザの発振波長が変化することに帰因する不等
間隔回折格子の焦点距離の変化を、熱膨脹に帰因する不
等間隔回折格子の焦点距離の変化によってほぼ補償する
ような熱膨魔係数をもつ材質によって不等間隔回折格子
を構成したことを特徴とする。

この発明によると、レーザ光の波長変化に帰因する不等
間隔回折格子の焦点距離の変化を、不等間隔回折格子の
熱膨脹による焦点距離の変化でほぼ相殺しているから、
温度変化によ゛名出射レーザ光の出射角度の変動が小さ
くなっている。したがって、温度変化があってもコリメ
ート光は平行な状態に保たれるし１発散光、収束光は発
散角。

収束角が殆んど変化しない。

実施例の説明 第１図はこの発明による半導体レーザ光源の実施例を示
す一部切欠き斜視図である。第２図は第１図に示す半導
体レーザ光源のキャップを除去した状態の一部切欠き正
面図である。

これらの図を参照して、ステム６のほぼ中央の位置にヒ
ート・シンク３が固定されている。このヒート・シンク
３はステム６と一体に形成してもよい。ヒート・シンク
３上には半導体レーザ・ダイオード・チップ（ＬＤチッ
プ）１が固定されている。このＬＤチップ１はステム６
の中心軸Ｚ（これが出射光の光軸となる）上に位置する
ように設けられている。

ＬＤチップ１の前方にはフレネル・レンズ２が設けられ
た透明基板４が配置されている。フレネル・レンズ２は
基板４の中央に位置している。フレネル・レンズは同心
円状の凹凸パターンを有し、この凹凸パターンによる光
のフレネル回折を利用してレンズ作用（集光、コリメー
ト等）をなすものである。フレネル・レンズの凹凸パタ
ーンとしてはステップ状のもの、ブレーズ化されたもの
等２種々のものがある。レーザ光ビームの整形手段とし
ては他の形の不等間隔回折格子、たとえば両面に互いに
直交する方向に回折格子が形成され、これらの回折格子
のピッチが中央部で広く両側にいくほど狭くなるような
レンズ作用をする不等間隔回折格子を用いることもでき
る。このようなフレネル・レンズ２を含む不等間隔回折
格子は透明基板４に一体的に形成しても、別体につくっ
たものを基板４に貼付けるようにしてもよい。

基板４はその両端部において２つの支持ブロック５に固
定され、これらの支持ブロック５はヒート・シンク３の
両側方においてステム６に固定されている。上記のＺ軸
に直交する２方向にＸ、　Ｙ軸を考えると、支持ブロッ
ク５の幅はＹ方向に長く、この幅の中心がＸ軸上にある
。また２つの支持ブロック５はＺ軸中心からＸ軸方向に
等距離の位置にある。そうして、フレネル・レンズ２の
中心をＺ軸が通る位置に基板４がブロック５に固定され
ている。

さらに、ＬＤチップ１から出射した拡散するレーザ光を
コリメートする位置にフレネル・レンズ２が設けられて
いる。

ＬＤチップ１が固定されたヒート・シンク３゜フレネル
・レンズ２が設けられた基板４．このノ、（板４が固定
されたブロック５の全体を覆うようにキャップ７が設け
られ、かつキャンシール、接着その他のやり方でステム
６に固定されている。

キャップ７の頂部には孔があけられ、この孔に透明板（
プラスチック、ガラスなど）８が設けられ、窓を構成し
ている。フレネル・レンズ２によってコリメートされた
レーザ光はこの透明板８を通して外部に出射される。

ＬＤチップ１はステム６に絶縁して設けられた端子９に
ワイヤボンディング等によって接続されているのはいう
までもない。

ＬＤチップ１およびフレネル・レンズ２を含む光学系は
キャップ７内に収納されているので外部環境による影響
が非常に少なくなっている。とくに塵埃の付着等から保
護されている。

さらにＬＤチ・ンプ１およびフレネル拳レンズ２はステ
ム６の中心軸Ｚ上にあり、フレネル・レンズ２は基板４
の中心に位置し、さらに基板４および支持ブロック５は
Ｘ軸およびＹ軸に関して対称の形状をもちかつそのよう
に配置されている。したがって、温度変化によって基板
４．支持ブロック５（この実施例では支持ブロックの熱
膨張はきわめて小さいが）等が伸縮しても、Ｚ軸に垂直
な平面（ＸＹ平面）内においてはこれらは等方向に熱伸
縮する。したがってＬＤチップ１およびフレネル・レン
ズ２は常にＺ軸上にあり、光軸はＺ軸から偏向すること
はない。フレネル・レンズ２が設けられた基板４は２つ
の支持ブロック５によってしっかりと固定されているか
ら、振動や衝撃に強いものとなっている。

一般にＬＤチップ１は温度Ｔが上昇するとその発振波長
λが長くなる傾向がある。

一方、フレネル・レンズの凹凸パターンの周期Δは、使
用する光（入射光）の波長λおよびそのレンズの焦点距
離ｆの関数である。この周期へを一定と考えたときに、
光の波長λが大きくなると焦点距＃Ｌｆが短くなる。

フレネル・レンズ２．を形成する飼料も温度Ｔの変化に
よって伸縮する。温度Ｔの上昇によってレンズ飼料が熱
膨張するとレンズ・パターンの周期へが増大し、これに
よってフレネル争レンズ２の焦点距離ｆは長くなる。

したがって、温度変化によるＬＤチップ１の発振波長の
変化に帰因するフレネル・レンズ２の焦点距離変動と、
フレネル・レンズ２の材料の熱伸縮に帰因する焦点距離
変動とは互いに打消す方向に働く。

一般にはＬＤチップ１の発振波長の変動による焦点距離
の変化の方がレンズ２の材料による焦点距離変化よりも
大きい。

そこでこの発明では熱膨張係数がきわめて大きい材料を
用いてフレネル・レンズ２を構成し、レンズ飼料の熱膨
張に帰因する焦点距離変化を太きくり、ＬＤチップ１の
発信波長の変動に帰因する焦点距離の変化をほぼ打消す
ようにしている。

この実施例では、ヒート・シンク３および支持ブロック
５を、温度変化によるその熱伸縮を無視することができ
る程度のきわめて小さい熱膨張係数をもつ飼料より形成
している。これによりＬＤチップ１とフレネル・レンズ
２との間の距離は温度変化にかかわらずほぼ一定と考え
てよい。熱伸縮が無視することができる程度に小さい熱
膨張係数をもつ材料にはたとえばコバール（熱膨張係数
：　４．８　Ｘ　１０−６／　”Ｃ）がある。

上述した焦点距離変動の補償の一例について以下に詳し
く説明する。

フレネル・レンズ２の材料の焦点距離変動係数は次式で
与えられる。

（１／ｆ）（ａ　ｆ／ａＴ）−２ａ−ｒ　　　（１）こ
こでαはフレネル・レンズ２の材料の線膨脹係数であっ
て次式で与えられる。

ａ＝　（１／Ｒ）（ａＲ／ＪＴ）　　　（２）ｍ　　　
　　　　　　　　ｍ Ｒｍはフレネル・レンズの各ゾーンの半径である。

＝　　８　　＝ また、γはＬＤチップ１の波長変化係数であって次式で
与えられる。

γ＝（１／λ）（ａλ／　９　Ｔ　’）　　　　　（３
）第（１）式を変形すると次式のようになる。

（、ｌｌｆ／δＴ）　＝　ｆ　（２ａ−７）　　　　（
４）所与のγに対して」二記第（４）式のｌｌｆ／ａＴ
）の値が零またはこれに近い値となるようなαをもつフ
レネル・レンズ２の材料を選定すればよい。

たとえばフレネル・レンズ２の材料として、アリルジグ
リコールカーボネート（ＣＲ−３９）を用いる。この材
料の熱膨張係数αはきわめて大きくα−１，２ＸＬＯ”
−４／’Ｃである。またＬＤチップ１にＧａＡｊ２Ａｓ
系半導体レーザを用いると、あるタイプのＬＤチップの
波長変化係数γはγ＝　２．９２３ＸＩＯ’／’Ｃ（λ
＝０．７８μｍ、　　ａ　λ／　ａＴ＝０．２２８ｎｍ
／’Ｃ）である。さらにフレネル・レンズ２の焦点距離
ｆをｆ　＝　１　［ｍｍ］と設定する。これらの値を第
（４）式ニ代入スル。（Ｊ　ｆ／、１３　Ｔ）　＝　Ｉ
　Ｘｌ０−３Ｘ　（２Ｘｌ、２　ＸＩＯ−２，９２３Ｘ
ｌ０−４）　−−５，２３Ｘ１０−８［ｍ／’Ｃ］　＝
−０，０５２８［μｍ　／　’Ｃコ焦点距離ｆの温度依
存性をこのようにきわめて小さな値におさえることがで
き、温度変化にかかわらず出射光を平行に保つことがで
きる。

第３図は各種のフレネル・レンズ材料およびプラスチッ
ク・レンズの指向角度温度依存性（２０℃基準）を示す
ものである。フレネル・レンズ材料としてアクリル樹脂
（ＰＭＭＡ）を用いた場合。

レンズとしてプラスチック・レンズ（凸レンズ）を用い
た場合に比べて、フレネルφレンズ材料として上記のア
リルジグリコールカーボネートを用いると、温度変化に
かかわらず出射光の出射角度をほぼ一定に保つことかで
きることが分る。

上記の例ではヒート・シンク３および支持ブロック５の
熱伸縮が無視することができることを前提としたが、こ
の発明はこれらの熱伸縮が無視できない場合であっても
適用可能である。次に。

ヒート・シンク３および支持ブロック５の熱伸縮を考慮
した場合について述べる。

第１図において、ヒート・シンク３のＺ軸方向の長さを
ａ、支持ブロック５のＺ軸方向の長さをｂとし、ヒート
・シンク３の線膨脹係数をａ　ｔ　。

支持ブロック５の線膨脹係数をｂｌとする。

ＬＤチップ１の出射面からフレネル・レンズ２までの距
離は設定焦点距離ｆに等しく、ｆ＝ｂ−ａである。

焦点距離変動評価関数Ｆは次式で与えられる。

Ｆ＝（設定焦点距離） ＋ΔＴｉ［ヒート・シンクおよび支持ブロックの熱膨張
に帰因する変動分コ −（フレネル・レンズの熱膨張に帰因する変動分）＋（
発振波長に帰因する変動分）） ＝　ｆ ＋ΔＴｆ［−ｂ（ａ　　−ｂ　　）　−ａ　　ｆ］一２
ｆα ＋ｆγ　　　　　　　　　　　　　　　　（５）温度変
化にかかわらずＦ＝ｆ（＝一定）とするためには次式が
成立すればよい。

ｔ　［ｂ　（ａ　　　ｂ　　）　　　ａ　ｔ　　ｆ　］
　　　２　ｆ　α＋ｆγｌ−０（６） 第（６）式が成立するように、ヒート・シンク３、支持
ブロック５の材質（ａ　　＋　　ｂｔ　）　＋およびそ
れらの長さａとｂを設定すればよい。α。

γ、ｆは上記の実施例のものと同じである。

たとえばヒート・シンク３としてコバール′　　て銅（
ｂ　　＝１．６５ｘＬＯ−５／’Ｃ）を用い、それらの
長さをａ　＝　２１．３ｍｍ、　　ｂ　＝　２２．３ｍ
ｍとすれば第（６）式が成立し、Ｆ＝ｆとなる。

これにより２　出射光ビームの出射角は温度によって変
化しないことになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による半導体レーザ光源の実施例を示
す一部切欠き斜視図、第２図は第１図のキャップを除去
した状態の一部切欠き正面図、第３図は各種の材質のフ
レネル・レンズおよびプラスチック・レンズの指向角温
度依存性を示すグラフである。 １・・・ＬＤチップ、　　　２・・・フレネル・レンズ
。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 温度変化によって半導体レーザの発振波長が変化するこ
   とに帰因する不等間隔回折格子の焦点距離の変化を、熱
   膨脹に帰因する不等間隔回折格子の焦点距離の変化によ
   ってほぼ補償するような熱膨脹係数をもつ材質によって
   不等間隔回折格子を構成した半導体レーザ光源。