JPH04336481A - 温度制御装置付き半導体レーザ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、温度制御及びコリメ
ート光出力を必要とする半導体レーザ光源に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ（ＬＤ）は、小形で
あることや、入力エネルギーに対する出力エネルギーの
変換効率が高いことによる低消費電力型であること等か
ら、各種光学機器に使用されている。

【０００３】ところで、半導体レーザは、自己発熱によ
って劣化したり、動作温度の変化によって発振波長・出
力が変動することから、寿命を延ばし、且つ、発振波長
・出力を安定化させるために、温度制御を行うことが必
要である。

【０００４】また、半導体レーザは、共振器断面積が非
常に小さいため回折の影響によって射出ビーム角が拡が
っており、光学機器等に搭載する場合には、通常、半導
体レーザの直後に設置したコリメータレンズにより、ビ
ームを平行光束に変換してから使用することが一般に行
われている。

【０００５】従って、この半導体レーザの小型化の利点
を生かすために、熱電効果型素子としての小形ペルチェ
効果型素子を使用して温度制御を行い、また、コリメー
タレンズとしても短焦点・高ＮＡの小さなレンズ（例え
ば、ＣＤ用のピック・アップレンズ等）、或は超小形フ
レネルレンズ等を使用したりして、光源全体の小型化が
進められている。

【０００６】これら半導体レーザ、ペルチェ効果型素子
、コリメータレンズは、図４、図５に示すように、保持
部材を介して基板に保持されている。

【０００７】図４に示す保持方法は、半導体レーザ１を
ヒートシンク２に、コリメータレンズ３をレンズホルダ
ー４にそれぞれ取り付け、ペルチェ効果型素子５を介し
てヒートシンク２を取り付けたレンズホルダー４を基板
６に装着している。また、図５に示す保持方法は、半導
体レーザ１をヒートシンク２に取り付けると共に、コリ
メータレンズ３を取り付けたレンズホルダー４をヒート
シンク２に取り付け、ヒートシンク２をペルチェ効果型
素子５を介して基板６に装着している。

【０００８】図４と図５に示す保持方法の差異は、レン
ズホルダー４を支えているのが、基板６かヒートシンク
２かの違いだけである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このペ
ルチェ効果型素子５は、熱的に可逆的な膨張・収縮によ
り変形すると共に、温度制御のために大きな電流を流し
続けると、図６に示すように、厚さｄが全体的に増減し
たり（等厚変形）或は上面と下面の平行度が変化する（
不等厚変形）ことが分かってきた。しかも、その変形が
、経時的に不可逆な塑性変形であることも判明してきた
。このようなペルチェ効果型素子５の変形量は微小では
あるが、コリメータレンズ３が短焦点距離化してきた現
在においては、コリメート出力光の射出角が敏感に変化
してしまうという問題が生じてきた。

【００１０】例えば、図７に示すように、コリメータレ
ンズ３の焦点距離ｆがｆ＝１０ｍｍの場合、半導体レー
ザ１の点光源Ｐがｙ＝１μｍ上下方向に変化する（Ｐ´
）と、射出ビーム角θは０．１ｍｒａｄだけ変化するが
、焦点距離ｆがｆ＝２ｍｍの場合だと、射出ビーム角θ
の変化は０．５ｍｒａｄにもなってしまう。

【００１１】このため、図４に示す保持方法の場合、ペ
ルチェ効果型素子５の等厚変形・不等厚変形は、共に半
導体レーザ１の点光源Ｐとコリメータレンズ３の光軸と
の相対位置の変動を生じさせるため、射出ビーム角変動
となって現れてくる。更に、ペルチェ効果型素子５の不
等厚変形は、コリメータレンズ３の焦点方向への相対位
置にも変化を与えるため、コリメート精度にも悪影響を
及ぼす。

【００１２】また、図５に示す保持方法の場合、レンズ
ホルダー４を支えるのがヒートシンク２であるため、ペ
ルチェ効果型素子５の変形は、半導体レーザ１の点光源
Ｐとコリメータレンズ３の光軸との相対位置の変動を生
じさせないが、射出コリメート光束は、ペルチェ効果型
素子５の不等厚変形により、基板６に対してやはり傾い
て射出することになる。加えて、影響は微小であるが、
ペルチェ効果型素子５の等厚変形により光軸の高さが変
化する。更に、この場合、レンズホルダー４がヒートシ
ンク２に熱的に直接接合するため、ペルチェ効果型素子
５が温度制御すべき対象が大きくなり、熱応答性の早い
半導体レーザ１の動作温度の精密制御に支障をきたすこ
とになる。

【００１３】従って、このような従来の保持方法では、
小型化されたペルチェ効果型素子５やコリメータレンズ
３等は非常に使いづらく、また、射出ビームを正確且つ
経時的に安定して長距離に渡って飛ばさなければならな
い計測用機器には適用できにくいという問題点があった
。 更に、波長安定化等の手段としての精密温度制御が困難
であるという問題点もあった。

【００１４】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、射出ビーム角が
熱的にも経時的にも安定して使い易く、且つ、射出ビー
ムを正確且つ経時的に安定して長距離に渡って飛ばすこ
とができると共に、小形ペルチェ効果型素子による精密
温度制御が容易に行える温度制御装置付き半導体レーザ
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザは、レ
ーザ光を発光する半導体レーザと、前記半導体レーザか
らの光を集光するコリメータレンズと、前記半導体レー
ザの動作温度を制御するために、前記半導体レーザに装
着されたペルチェ効果型素子と、前記半導体レーザが発
生させた熱を外気温に応じて放熱させるヒートシンクと
、これらを載置した基板とを有する温度制御装置付き半
導体レーザにおいて、前記コリメータレンズ、及び、断
熱部材を介した前記半導体レーザが装着されると共に、
前記基板に取り付けられる支持部と、前記ペルチェ効果
型素子と前記ヒートシンクとの間を熱的に結合する変形
自在な結合部とを有することを特徴としている。

【００１６】

【作用】この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザ
により、半導体レーザの点光源部分とコリメータレンズ
の相対位置に変化を生じさせないように堅牢に支持する
ことができると共に、基板に対するビーム角の変動も除
去できる。また、ペルチェ効果型素子とヒートシンクと
を結合部を介して結合することにより、ペルチェ効果型
素子の変形に起因する射出ビーム角の変動を除去するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明に係る温度制御装置付き半導
体レーザの実施例を図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１に示すように、温度制御装置付き半導
体レーザ１０は、Ｃａｎ型半導体レーザ（半導体レーザ
）１１と、コリメータレンズ１２と、ペルチェ効果型素
子１３とを有している。

【００１９】半導体レーザ（ＬＤ）１１は、半導体レー
ザ１１を取り付けた第１ヒートシンク１４と共に半導体
レーザホルダー（ＬＤホルダー）１５を介して、レーザ
ヘッド筺体１６に保持されている。レンズセル１２ａに
取り付けられたコリメータレンズ１２は、コリメータレ
ンズホルダー（レンズホルダー）１７を介し、半導体レ
ーザ１１の射出方向に配置されてレーザヘッド筺体１６
に保持されている。ペルチェ効果型素子１３は、一端側
を、接着剤１８を介して第２ヒートシンク１９の中央凹
部１９ａに装着し、他端側を、第１ヒートシンク１４に
装着している。第２ヒートシンク１９の周辺凸部１９ｂ
は、弾性効果を有する断熱材２０を介してレーザヘッド
筺体１６に装着されている。ＬＤホルダー１５は、円筒
形の硬性断熱材料例えばセラミックス等により形成され
ており、ペルチェ効果型素子１３と第２ヒートシンク１
９を結合する結合部としての接着剤１８は、高弾性を有
し、且つ、熱伝導性のよいシリコン系の材料等から形成
されている。

【００２０】また、図２に示すように、レンズホルダー
１７は、半導体レーザ１１の点光源Ｐ（図７参照）に対
して光軸及びピントを調節した後、動かないように２〜
４本のビス２１で固定される。レーザヘッド筺体１６も
、更に基板２２にビス２３で固定されるが、基板２２を
通じて第２ヒートシンク１９や基板２２から再びレーザ
ヘッド筺体１６に熱が流れ込まないように、例えば、脚
部のみで設置させる等の基板２２との接触面積が極力小
さくなる構造（図中Ａ参照）、或は、脚部と基板２２の
間に断熱材を介してレーザヘッド筺体１６と基板２２を
締結する構造を有している（加えて、第２ヒートシンク
１９からレーザヘッド筺体１６に直接熱が伝わらないよ
うに、これらの間にも断熱材２０が介在している）。な
お、例えば熱が流れ込み、レーザヘッド筺体１６、ＬＤ
ホルダー１５及びレンズホルダー１７が熱膨張（変形）
した場合でも、光軸ズレが起きないように、レーザヘッ
ド筺体１６とレンズホルダー１７は、セラミックスと同
程度の熱膨張係数を持つ鋳鉄により形成されている。

【００２１】このため、筺体部分は、点光源Ｐとコリメ
ータレンズ１２の焦点位置関係が物理的・経時的に安定
な上、半導体レーザ１１の周囲が断熱セラミックス部材
により囲まれていることから、ペルチェ効果型素子１３
による温度制御すべき対象物を小さな半導体レーザ１１
だけに限定することができる。従って、熱応答性が早く
なり、長期的に半導体レーザ１１の動作温度の精密制御
（例えば、二段型ペルチェ効果型素子採用の場合、約±
５ｍ℃程度）を行うことができる。

【００２２】また、ペルチェ効果型素子１３と第２ヒー
トシンク１９は、物理的に若干（０．５ｍｍ程度）の隙
間Ｓを持たせ、その隙間Ｓに接着剤１８を充填している
（図１参照）ことから、ペルチェ効果型素子１３と第２
ヒートシンク１９とは熱的にのみ接合する状態となる。 更に、第２ヒートシンク１９と基板２２との間は、第２
ヒートシンク１９からの熱が基板２２にスムーズに流れ
て行くように、シリコングリース等を介在させて密着性
を高めている。

【００２３】このように、ペルチェ効果型素子１３に可
逆的・不可逆（塑性）的な等厚変形・不等厚変形が生じ
た場合、この変形による影響は、ペルチェ効果型素子１
３と各ヒートシンク１４，１９との間隙量の変化となっ
て現れる。 そして、この間隙量の変化は、全て接着剤１８により吸
収されることから、各ヒートシンク１４，１９やレーザ
ヘッド筺体１６に何等変形による影響を与えることがな
く、熱的接合度が変化することもない。

【００２４】次に、温度制御装置の他の例を示す。

【００２５】図３に示す温度制御装置付き半導体レーザ
３０は、ペルチェ効果型素子１３と接着剤１８との間に
、第３シートシンク３１とペルチェ効果型素子３２を直
列に付加しており、その他は温度制御装置付き半導体レ
ーザ１０と同様の構成を有している。

【００２６】第３ヒートシンク３１とペルチェ効果型素
子３２を更に介在させたことで、ペルチェ効果型素子１
３の発熱側（即ち、図３における第３ヒートシンク３１
側）の温度をも制御することが可能となり、より精密に
且つ長期的に安定化させることができる。

【００２７】このように、複数個のヒートシンク及びペ
ルチェ効果型素子を用いることにより、半導体レーザ１
１の発振波長・出力を高精度で安定化させることができ
る。

【００２８】なお、上記各実施例においては、図示しな
いが、第１ヒートシンク１４と第３ヒートシンク３１に
はサーミスタ等の温度変化検出器が埋め込まれており、
その温度変化に応じて、ペルチェ効果型素子１３，３２
等の駆動回路にフィードバックがかかるような電子回路
も備えられている。

【００２９】また、上記各実施例において、レーザヘッ
ド筺体１６及びレンズホルダー１７は、セラミックスと
同程度の熱膨張係数を持つ鋳鉄材により形成したが、成
形加工が容易ならばこれらも全てセラミックスを用いて
も良い。また、第２ヒートシンク１９側に、高弾性を有
し、且つ、熱伝導性のよい接着剤１８を採用したが、こ
れを半導体レーザ１１側の第１ヒートシンク１４とペル
チェ効果型素子１３の間に用いてもよいし、温度制御装
置付き半導体レーザ３０にあっては、第３ヒートシンク
３１の両端面と各ペルチェ効果型素子１３，３２の間で
用いてもよい。なお、接着剤１８を複数的に用いてもよ
い。

【００３０】更に、接着剤１８は、ペルチェ効果型素子
１３，３２の変形量を吸収し、且つ、熱伝導性がよく、
熱的密着性が高いものならば、シリコン系に限らない。

【００３１】このように、ペルチェ効果型素子１３，３
２に可逆的・不可逆（塑性）的な等厚変形・不等厚変形
が生じた場合、その変形による影響は、ペルチェ効果型
素子１３，３２と各ヒートシンク１４，１９，３１との
間隙量の変化となって現れる。そして、この間隙量の変
化は、全て接着剤１８により吸収されることから、各ヒ
ートシンク１４，１９，３１やレーザヘッド筺体１６に
何等変形による影響を与えることがなく、熱的接合度が
変化することもない。故に、小形のコリメータレンズ１
２を用いても、点光源Ｐとコリメータレンズ１２の焦点
位置関係が安定することから、その射出ビーム角が熱的
にも経時的にも安定した半導体レーザ光源となる。加え
て、半導体レーザ１１の周囲が断熱部材からなるＬＤホ
ルダー１５により囲まれているので、小形のペルチェ効
果型素子１３による精密温度制御が容易な半導体レーザ
光源となる。

【００３２】また、このような特徴を有する半導体レー
ザ光源は、射出ビームを正確に、且つ、経時的に安定し
て長距離に渡って飛ばさなければならない光計測用機器
の光源として威力を発揮する。加えて、熱的変化にも強
いことから、同一基板上に他の熱源となるもの（例えば
、音響光学効果素子ｅｔｃ．）を搭載する場合には、よ
り一層有効である。

【００３３】

【発明の効果】この発明に係る温度制御装置付き半導体
レーザは、レーザ光を発光する半導体レーザと、前記半
導体レーザからの光を集光するコリメータレンズと、前
記半導体レーザの動作温度を制御するために、前記半導
体レーザに装着されたペルチェ効果型素子と、前記半導
体レーザが発生させた熱を外気温に応じて放熱させるヒ
ートシンクと、これらを載置した基板とを有する温度制
御装置付き半導体レーザにおいて、前記コリメータレン
ズ、及び、断熱部材を介した前記半導体レーザが装着さ
れると共に、前記基板に取り付けられる支持部と、前記
ペルチェ効果型素子と前記ヒートシンクとの間を熱的に
結合する変形自在な結合部とを有することを特徴として
いる。

【００３４】このため、射出ビーム角が熱的にも経時的
にも安定し、且つ、小形のペルチェ効果型素子による精
密温度制御が容易な半導体レーザ光源となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る温度制御装置付き半導体レーザ
の構成説明図である。

【図２】温度制御装置付き半導体レーザの装着状態を示
す説明図である。

【図３】温度制御装置付き半導体レーザの他の例の構成
説明図である。

【図４】従来の半導体レーザの装着状態を示す説明図で
ある。

【図５】従来の半導体レーザの装着状態を示す説明図で
ある。

【図６】ペルチェ効果型素子の変形状態を示す説明図で
ある。

【図７】コリメート出力光の変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，３０　　温度制御装置付き半導体レーザ１１　　
半導体レーザ １２　　コリメータレンズ １２ａ　　レンズセル １３，３２　　ペルチェ効果型素子 １４　　第１ヒートシンク １５　　ＬＤホルダー（硬性断熱部材）１６　　レーザ
ヘッド筺体（支持部） １７　　コリメータレンズホルダー（レンズホルダー）
１８　　接着剤（結合部） １９　　第２ヒートシンク １９ａ　　中央凹部 １９ｂ　　周辺凸部 ２０　　断熱材 ２１　　ビス ２２　　基板 ２３　　ビス ３１　　第３ヒートシンク Ｐ　　点光源 Ｓ　　隙間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を発光する半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの光を集光するコリメータレンズ
   と、前記半導体レーザの動作温度を制御するために、前
   記半導体レーザに装着されたペルチェ効果型素子と、前
   記半導体レーザが発生させた熱を外気温に応じて放熱さ
   せるヒートシンクと、これらを載置した基板とを有する
   温度制御装置付き半導体レーザにおいて、前記コリメー
   タレンズ、及び、断熱部材を介した前記半導体レーザが
   装着されると共に、前記基板に取り付けられる支持部と
   、前記ペルチェ効果型素子と前記ヒートシンクとの間を
   熱的に結合する変形自在な結合部とを有することを特徴
   とする温度制御装置付き半導体レーザ。