JP2004179607A - レーザー装置 - Google Patents
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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、上記組合せを多数設けて高出力化を可能にし、その一方で組立ても容易化する。
【解決手段】複数のレーザーダイオード12と、これらのレーザーダイオード12を発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロック11と、レーザーダイオード12からのレーザービーム12Ｂを各々平行光化するコリメーターレンズ14ａ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14とを備えてなるレーザー装置において、１つのブロック10に、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分（例えば水平なレーザー固定面11ａと水平なレンズ固定面11ｆ等からなる）を形成し、これら複数の取付け部分にそれぞれ、複数のレーザーダイオード12とコリメーターレンズアレイ14との組合せを取り付ける。
【選択図】 図２
【解決手段】複数のレーザーダイオード12と、これらのレーザーダイオード12を発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロック11と、レーザーダイオード12からのレーザービーム12Ｂを各々平行光化するコリメーターレンズ14ａ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14とを備えてなるレーザー装置において、１つのブロック10に、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分（例えば水平なレーザー固定面11ａと水平なレンズ固定面11ｆ等からなる）を形成し、これら複数の取付け部分にそれぞれ、複数のレーザーダイオード12とコリメーターレンズアレイ14との組合せを取り付ける。
【選択図】 図２
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、複数のレーザーダイオードが複数個並べてブロックに固定されてなる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あっても99％以上の高歩留まり化が困難である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に示されるレーザー装置は、複数のレーザーダイオードと、１本のマルチモード光ファイバーと、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マルチモード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。このレーザー装置の好ましい実施の形態において、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。一方非特許文献１に示されたレーザー装置は、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ものである。
【００１１】
上記のように、複数のレーザーダイオードが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置において、通常複数のレーザーダイオードは、ＣｕまたはＣｕ合金製の放熱ブロック等のブロックに固定保持される。
【００１２】
また、複数のレーザーダイオードからはそれぞれレーザービームが発散光状態で発せられるので、それらのレーザービームを１点に集束させる等の場合は、まず発散光状態のレーザービームをコリメーターレンズに通して平行光化する必要がある。その際各コリメーターレンズは、互いに別個に配設されてもよいが、複数が一列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を用いれば、レーザー装置の小型化や調整の容易化が達成される。
【００１３】
なおその場合は、互いに別個に配設されたコリメーターレンズを用いる場合と同様に、各レンズの光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせする必要がある。もしこの位置合わせが正確になされないと、複数のレーザービームを小さなスポットに集束させることができないので、例えばそれらのレーザービームで前述のように感光材料を感光させて画像露光する場合は、精細な画像露光が不可能になる等の問題が生じる。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【００１５】
【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
（Japanese Applied physics Letters）, Vol.37,(1998),p.L1020
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上に述べたような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レーザー装置に対しては、より多数の組合わせを用いて大出力を得たいという要求がある。その要求に応えるために、本出願人による特願２００２−２０１９０２号に示されるように、複数のレーザーダイオードおよびコリメーターレンズアレイを固定保持したブロックを複数多段に重ね合わせることが考えられる。しかし、そのような構造を採用する場合には、複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要があるので、レーザー装置の組立てに多くの工数を要し、その結果、レーザー装置のコストが高くなるという問題が生じる。
【００１７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、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多数設けて高出力化が可能で、その一方、組立ても容易なレーザー装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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、前述したように、
複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持した１つのブロックと、
前記レーザーダイオードから発せられた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を備えてなるレーザー装置において、
前記１つのブロックに、互いに高さ位置および前記コリメーターレンズの光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分が形成され、
これら複数の取付け部分にそれぞれ、前記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が取り付けられていることを特徴とするものである。
【００１９】
なお上記構成のレーザー装置においては、コリメーターレンズアレイが、その下面を前記ブロックの取付け部分の上面に支持させた状態で該ブロックに取り付けられていることが望ましい。
【００２０】
また、上記ブロックの取付け部分の中で、特にレーザーダイオードが取り付けられる面には、該レーザーダイオードの発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マークが形成されていることが望ましい。
【００２１】
また上記複数のレーザーダイオードは、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からなることが好ましい。その場合は、マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることがさらに望ましい。
【００２２】
あるいはそれに限らず、上記複数のレーザーダイオードは、１つ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チップが複数並設されたものであってもよい。
【００２３】
なお上記１つのブロックは、１つの部材を切削加工して形成することもできるが、複数の平板を高さ方向または前記コリメーターレンズの光軸方向に積層固定して形成するのがより好ましい。そして、そのようにして形成されるブロックは、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および上記光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ上記平板が積層されてなるものであることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置は、１つのブロックに、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分が形成され、これら複数の取付け部分にそれぞれ、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が取り付けられてなるものであるので、この組合せを高さ方向にずらして複数設けることができ、よって多数のレーザーダイオードからのレーザービームを集めて高出力のレーザービームを得ることができる。
【００２５】
そしてこのレーザー装置においては、１つのブロックに形成した複数の取付け部分にそれぞれ、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取り付けているので、複数のブロックを積み重ねる場合のように複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要がなく、よってレーザー装置の組立てが容易化される。
【００２６】
また本発明のレーザー装置において、特にコリメーターレンズアレイが、その下面を前記ブロックの取付け部分の上面に支持させた状態で該ブロックに取り付けられている場合には、コリメーターレンズアレイをブロックに固定する際にそれがブロックに対して上下に動いてしまうという問題を防止できる。レーザーの経時信頼性を確保するためには、半田を用いて部材を固定するのが望ましいのであるが、この問題は、特にコリメーターレンズアレイの固定に半田等のロウ材を用いた熱固定を採用する場合に起きやすくなっている。
【００２７】
つまり、コリメーターレンズアレイの縦方向に延びる端面等をブロックに突き当てた状態で両者を位置規定して、それらを半田で固定する場合、コリメーターレンズアレイとブロックとの線膨張係数の差により、半田固定後の冷却過程において、コリメーターレンズアレイが上下方向に0.5〜２μｍ程度動いてしまう問題があった。コリメーターレンズアレイを、その下面がブロックの取付け部分の上面に支持される状態で該ブロックに取り付ければ、そこでコリメーターレンズアレイのブロックに対する上下移動が規制されるので、半田固定を適用する場合においてもコリメーターレンズアレイの上記移動を確実に防止可能となる。
【００２８】
一方、上記ブロックの取付け部分の中で、レーザーダイオードが取り付けられる面に、該レーザーダイオードの発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マークが形成されていれば、レーザーダイオードを該ブロックに実装する際に、この基準マークを参照してレーザーダイオードを簡単に発光点並び方向に位置決めして取り付けることができるので、レーザー装置の組立て工程が簡素化され、またレーザーダイオードの水平方向位置決め精度も高く保つことができる。
【００２９】
また複数のレーザーダイオードが、複数の発光点を有することによりそれ自身高出力であるマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、ブロックに固定されてなる場合は、特に高い出力が得られるものとなる。
【００３０】
また複数のレーザーダイオードが、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数配設されている場合は、より多数のレーザーダイオードを高密度に配置して特に高出力の合波ビームを得ることが可能になる。
【００３１】
そして、上記１つのブロックを、複数の平板を高さ方向またはコリメーターレンズの光軸方向に積層固定して形成する場合は、該ブロックを１つの部材を切削加工して形成する場合と比べると、該ブロックをより安価に形成可能であり、したがってレーザー装置のコストダウンが実現される。
【００３２】
また、特に上記ブロックが、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および前記光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ上記平板が積層されてなるものである場合は、平板の枚数を少なく抑えることができるから、ブロック加工の工数を抑えて、より一層のコストダウンが実現される。
【００３３】
なお上述のような平板は、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、ＳｉあるいはＡｌＮ等を好適に用いて、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、このような平板を積層して形成されるブロックは、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。
【００３４】
【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。
【００３５】
図１、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。図示されるようにこのレーザー装置10は、銅または銅合金を切削加工して形成されたヒートブロック（ステム）11上に、一例として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なるコリメーターレンズアレイ14との組合せが２組固定されてなるものである。
【００３６】
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。そして上記組合せの１つを構成する２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ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固定されている。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】
一方ヒートブロック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）に縦壁部として形成されたレンズ規定面11ｂと、上記発光点12ａから発散光状態で射出されるレーザービーム12Ｂのケラレを回避する凹部11ｃと、レンズ規定面11ｄと、水平なレンズ固定面11ｆとからなる取付け部分を２カ所有している。図２に明示される通り、これら２カ所の取付け部分は、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされている。
【００３８】
そして上記取付け部分の１カ所毎にそれぞれ、レーザー固定面11ａに２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12が固定され、また上方を向いた水平なレンズ固定面11ｆにコリメーターレンズアレイ14が固定される。
【００３９】
上記レーザー固定面11ａは、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12は、熱拡散性を確保してその温度上昇を抑制するために、それぞれレーザー固定面11ａにロウ材を用いて固定され、また両チップ12、12どうしもロウ材により固定される。
【００４０】
またレンズ規定面11ｂは、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から所定距離離れて、該マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光軸に垂直に形成されている。このレンズ規定面11ｂも、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４１】
またレンズ規定面11ｄは、上記規定面11ｂに直角で、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光軸に平行な縦壁部として形成されている。このレンズ規定面11ｄも、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４２】
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が一列に一体的に固定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ｆ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のうち左側５個のピッチ、右側５個のピッチは、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。またこれら左側５個、右側５個のコリメーターレンズ14ａの間には、２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。
【００４３】
さらに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が並んだ部分から左右に張り出した部分を有し、この部分の後方端面は高平坦面に加工されて、ヒートブロック11への当接面14ｂとされている。
【００４４】
上方を向いた水平なレンズ固定面11ｆも平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工され、コリメーターレンズアレイ14はその下端面14ｆをこのレンズ固定面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。
【００４５】
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の光軸とが一致する状態にコリメーターレンズアレイ14を位置合わせする必要がある。本実施の形態の場合は、コリメーターレンズアレイ14の下端面14ｆをレンズ固定面11ｆの上に載せ、当接面14ｂをレンズ規定面11ｂに押し付けるとともに、コリメーターレンズアレイ14の一方の側端面14ｄを上記レンズ規定面11ｄに押し付けることにより、上述の位置合わせが自動的になされるようになっている。
【００４６】
ヒートブロック11におけるコリメーターレンズアレイ14の固定位置とレンズ規定面11ｂとの位置関係は、上記のようしてコリメーターレンズアレイ14がヒートブロック11に固定されたとき、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に来るように設定されている。そこで、コリメーターレンズアレイ14がヒートブロック11に固定されると、コリメーターレンズ14ａの光軸方向位置は、自ずと適正な位置、つまり発散光であるレーザービーム12Ｂを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００４７】
また、ヒートブロック11のレンズ規定面11ｂが前述の通りの高平坦面とされているので、このヒートブロック11にコリメーターレンズアレイ14を固定する際の該アレイ14の動きを抑制して、正確に位置合わせを行うことが可能になる。
【００４８】
また、ヒートブロック11のレーザー固定面11ａも前述の通りの高平坦面とされているので、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12をヒートブロック11に固定する際の該チップ12の動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００４９】
以上説明した本実施の形態のレーザー装置10は、図１および２に示されている通り、複数のレーザービーム12Ｂを１本に合波して、高強度のレーザービームを得るために使用されている。すなわち、このレーザー装置10のヒートブロック11はベース板21上に固定され、該ベース板21上にはさらにマルチモード光ファイバー30の入射端部を保持するファイバーホルダ23が固定されている。
【００５０】
上記の構成において、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た合計20本のレーザービーム12Ｂは、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。
【００５１】
本実施の形態において、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。20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、480ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。また、各レーザービーム12Ｂの出力が50ｍＷで、損失が上記と同じ場合には、8000ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５２】
また本実施の形態のレーザー装置10においては、１つのヒートブロック11に形成された複数の取付け部分にそれぞれ、２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12とコリメーターレンズアレイ14との組合せを取り付けているので、複数のヒートブロックを積み重ねる場合のように複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要がなく、よってこのレーザー装置10は組立てが容易なものとなる。
【００５３】
また、コリメーターレンズアレイ14をヒートブロック11にロウ材で固定する場合は、前述したようにこの固定後の冷却過程において、コリメーターレンズアレイ14が動きやすいという事情がある。しかしこのレーザー装置10では、コリメーターレンズアレイ14を、その下端面14ｆがヒートブロック11のレンズ固定面11ｆの上に支持された状態で該ヒートブロック11に取り付けるようにしているので、コリメーターレンズアレイ14のヒートブロック11に対する上下移動が規制され、該コリメーターレンズアレイ14が上下方向に位置ずれを起こしてしまうことを防止できる。
【００５４】
また本実施の形態では、ヒートブロック11のレーザー固定面11ａに、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マーク40が形成されている。そこで、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12を該ヒートブロック11に実装する際に、この基準マーク40を参照してマルチキャビティレーザーダイオードチップ12を発光点並び方向に簡単に位置決めして取り付けることができる。それにより、レーザー装置10の組立て工程が簡素化され、またマルチキャビティレーザーダイオードチップ12の水平方向位置決め精度も高く保つことができる。
【００５５】
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２つ用いる代わりに、発光点を10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つ用いてもよい。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。
【００５６】
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。この後者の場合、上記実施の形態と同様に１本のレーザービームの出力が30ｍＷで、損失10％で１本に合波するものとすると、405ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られる。
【００５７】
なお、図１に示される合波モジュールの全体を密閉容器内に気密封止して配置することにより、長寿命化を達成することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４および５はそれぞれ、本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置10’の平面形状および側面形状を示すものである。なおこれらの図４および図５において、図１〜３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）。
【００５９】
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と比べると基本的に、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12に代えて、それぞれ発光点を１つだけ持つシングルキャビティレーザーダイオードが複数並設された点が異なるものである。すなわち本実施の形態ではヒートブロック11’の各レーザー固定面11ａに、チップ状態の横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオード12’が１０個並設されている。
【００６０】
このように複数のシングルキャビティレーザーダイオードを並設して用いる場合も、それらとコリメーターレンズアレイ14との組合せを、ヒートブロック11’において互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分に各々取り付ければ、その構成により、第１実施の形態におけるのと同様の効果を奏することができる。
【００６１】
なおこの第２の実施の形態では、図１〜３の装置において形成されたレンズ規定面11ｄは省かれており、コリメーターレンズアレイ14の図４における上下方向の取付け位置は、該コリメーターレンズアレイ14を固定する際にそれを図４の上下方向に動かして調整するようにしている。
【００６２】
またこの第２の実施の形態では、ベース板21上にヒートブロック11’とは別の集光レンズホルダ25が固定され、集光レンズ20はこの集光レンズホルダ25の上面に固定される。
【００６３】
次に、本発明の第３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３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。この第３の実施の形態によるレーザー装置110は、図１〜３に示したレーザー装置10と比べると、光学的要素は全て基本的に同一のものとされ、ヒートブロック11に代えて平板積層型のヒートブロック111が用いられた点だけが異なるものである。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
また、平板111Ｂ、111Ｄのレーザー固定面111ａに対する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。
【００６９】
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。
【００７０】
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、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、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。
【００７１】
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。
【００７２】
なお、４枚の平板111Ａ〜111Ｄよりも多数の平板を積層固定して、ヒートブロック111と同形状のヒートブロックを形成することも可能である。つまり例えば、図７の１枚の平板111Ａからなる部分を、それよりも薄い２枚以上の平板を積層固定して形成することができる。それは、他の平板111Ｂ〜111Ｄの各々からなる部分についても同様である。
【００７３】
しかし、本実施の形態におけるようにヒートブロック111を、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ平板111Ａ〜111Ｄを積層して形成すれば、上述のようにする場合と比べて平板の枚数が少くて済むので、ブロック加工の工数を抑えて、より一層のコストダウンが実現される。
【００７４】
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。
【００７５】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置110’の側面形状を示すものである。この第４の実施の形態においては、ベース板21の上に集光レンズホルダ25およびレンズアレイホルダ130が固定され、集光レンズ20が集光レンズホルダ25の上面に、そして１つのコリメーターレンズアレイ14がレンズアレイホルダ130の上に固定されている。また、１枚の平板111Ｅの上面（レーザー固定面111ａを含む面）にもレンズアレイホルダ130が固定され、その上面に別のコリメーターレンズアレイ14が固定されている。
【００７６】
上述のような集光レンズホルダ25およびレンズアレイホルダ130を適用することにより、本実施の形態ではヒートブロック111’を、積層固定された２枚の平板111Ｅおよび111Ｆから形成可能となっている。なお本実施の形態では、レーザー固定面111ａが、レンズ固定面を兼ねることになる。
【００７７】
以上説明した第３および第４の実施形態では、複数の平板が高さ方向に積層されているが、複数の平板をコリメーターレンズの光軸方向に積層してもよい。以下図９を参照して、そのように構成された本発明の第５の実施の形態について説明する。
【００７８】
この第５の実施形態によるレーザー装置110”において、ヒートブロック111”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（図１参照）の光軸方向に積層固定された２枚の平板111Ｇおよび111Ｈから構成されている。このようにしても、複数の平板を積層固定してブロックを形成することによる前述の効果を得ることができる。
【００７９】
また、このような平板の積層構造は、図７に示したような形状のヒートブロックを形成する際にも、同様に適用可能である。
【００８０】
なお本発明は、以上のように光ファイバーを用いて複数本のレーザービームを１本に合波する構成に限らず、平行光化した複数本のレーザービームを集光レンズによって集光し、それらの各レーザービームを例えば複数の変調部が１次元に配列されてなる空間変調素子の各変調部で収束させて、独自に変調するような構成に適用することも可能である。そのような空間変調素子としては、ライン状の液晶空間変調素子やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）やＧＬＶ（グレーティング・ライトバルブ）等が用いられ得る。
【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】
さらに本発明は、平行光化した後の複数本のレーザービームを特に集光はしない構成においても同様に適用可能で、その場合にも前述した本発明の効果を得ることができる。
【００８３】
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】図４のレーザー装置の側面図
【図６】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７】図６のレーザー装置の側面図
【図８】本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図９】本発明の第５の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【符号の説明】
10、10’、110、110’、110” レーザー装置
11、11’、111、111’、111” ヒートブロック
11ａ、111ａ ヒートブロックのレーザー固定面
11ｂ、11ｄ ヒートブロックのレンズ規定面
11ｆ、111ｆ ヒートブロックのレンズ固定面
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
12’ 横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオード
14 コリメーターレンズアレイ
14ａ コリメーターレンズ
14ｂ コリメーターレンズアレイの当接面
14ｆ コリメーターレンズアレイの下端面
20 集光レンズ
30 マルチモード光ファイバー
111Ａ〜111Ｈ ヒートブロックを構成する平板
【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、複数のレーザーダイオードが複数個並べてブロックに固定されてなる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あっても99％以上の高歩留まり化が困難である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に示されるレーザー装置は、複数のレーザーダイオードと、１本のマルチモード光ファイバーと、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マルチモード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。このレーザー装置の好ましい実施の形態において、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。一方非特許文献１に示されたレーザー装置は、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ものである。
【００１１】
上記のように、複数のレーザーダイオードが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置において、通常複数のレーザーダイオードは、ＣｕまたはＣｕ合金製の放熱ブロック等のブロックに固定保持される。
【００１２】
また、複数のレーザーダイオードからはそれぞれレーザービームが発散光状態で発せられるので、それらのレーザービームを１点に集束させる等の場合は、まず発散光状態のレーザービームをコリメーターレンズに通して平行光化する必要がある。その際各コリメーターレンズは、互いに別個に配設されてもよいが、複数が一列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を用いれば、レーザー装置の小型化や調整の容易化が達成される。
【００１３】
なおその場合は、互いに別個に配設されたコリメーターレンズを用いる場合と同様に、各レンズの光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせする必要がある。もしこの位置合わせが正確になされないと、複数のレーザービームを小さなスポットに集束させることができないので、例えばそれらのレーザービームで前述のように感光材料を感光させて画像露光する場合は、精細な画像露光が不可能になる等の問題が生じる。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【００１５】
【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
（Japanese Applied physics Letters）, Vol.37,(1998),p.L1020
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上に述べたような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レーザー装置に対しては、より多数の組合わせを用いて大出力を得たいという要求がある。その要求に応えるために、本出願人による特願２００２−２０１９０２号に示されるように、複数のレーザーダイオードおよびコリメーターレンズアレイを固定保持したブロックを複数多段に重ね合わせることが考えられる。しかし、そのような構造を採用する場合には、複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要があるので、レーザー装置の組立てに多くの工数を要し、その結果、レーザー装置のコストが高くなるという問題が生じる。
【００１７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、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多数設けて高出力化が可能で、その一方、組立ても容易なレーザー装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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、前述したように、
複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持した１つのブロックと、
前記レーザーダイオードから発せられた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を備えてなるレーザー装置において、
前記１つのブロックに、互いに高さ位置および前記コリメーターレンズの光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分が形成され、
これら複数の取付け部分にそれぞれ、前記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が取り付けられていることを特徴とするものである。
【００１９】
なお上記構成のレーザー装置においては、コリメーターレンズアレイが、その下面を前記ブロックの取付け部分の上面に支持させた状態で該ブロックに取り付けられていることが望ましい。
【００２０】
また、上記ブロックの取付け部分の中で、特にレーザーダイオードが取り付けられる面には、該レーザーダイオードの発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マークが形成されていることが望ましい。
【００２１】
また上記複数のレーザーダイオードは、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からなることが好ましい。その場合は、マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることがさらに望ましい。
【００２２】
あるいはそれに限らず、上記複数のレーザーダイオードは、１つ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チップが複数並設されたものであってもよい。
【００２３】
なお上記１つのブロックは、１つの部材を切削加工して形成することもできるが、複数の平板を高さ方向または前記コリメーターレンズの光軸方向に積層固定して形成するのがより好ましい。そして、そのようにして形成されるブロックは、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および上記光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ上記平板が積層されてなるものであることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置は、１つのブロックに、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分が形成され、これら複数の取付け部分にそれぞれ、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が取り付けられてなるものであるので、この組合せを高さ方向にずらして複数設けることができ、よって多数のレーザーダイオードからのレーザービームを集めて高出力のレーザービームを得ることができる。
【００２５】
そしてこのレーザー装置においては、１つのブロックに形成した複数の取付け部分にそれぞれ、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取り付けているので、複数のブロックを積み重ねる場合のように複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要がなく、よってレーザー装置の組立てが容易化される。
【００２６】
また本発明のレーザー装置において、特にコリメーターレンズアレイが、その下面を前記ブロックの取付け部分の上面に支持させた状態で該ブロックに取り付けられている場合には、コリメーターレンズアレイをブロックに固定する際にそれがブロックに対して上下に動いてしまうという問題を防止できる。レーザーの経時信頼性を確保するためには、半田を用いて部材を固定するのが望ましいのであるが、この問題は、特にコリメーターレンズアレイの固定に半田等のロウ材を用いた熱固定を採用する場合に起きやすくなっている。
【００２７】
つまり、コリメーターレンズアレイの縦方向に延びる端面等をブロックに突き当てた状態で両者を位置規定して、それらを半田で固定する場合、コリメーターレンズアレイとブロックとの線膨張係数の差により、半田固定後の冷却過程において、コリメーターレンズアレイが上下方向に0.5〜２μｍ程度動いてしまう問題があった。コリメーターレンズアレイを、その下面がブロックの取付け部分の上面に支持される状態で該ブロックに取り付ければ、そこでコリメーターレンズアレイのブロックに対する上下移動が規制されるので、半田固定を適用する場合においてもコリメーターレンズアレイの上記移動を確実に防止可能となる。
【００２８】
一方、上記ブロックの取付け部分の中で、レーザーダイオードが取り付けられる面に、該レーザーダイオードの発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マークが形成されていれば、レーザーダイオードを該ブロックに実装する際に、この基準マークを参照してレーザーダイオードを簡単に発光点並び方向に位置決めして取り付けることができるので、レーザー装置の組立て工程が簡素化され、またレーザーダイオードの水平方向位置決め精度も高く保つことができる。
【００２９】
また複数のレーザーダイオードが、複数の発光点を有することによりそれ自身高出力であるマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、ブロックに固定されてなる場合は、特に高い出力が得られるものとなる。
【００３０】
また複数のレーザーダイオードが、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数配設されている場合は、より多数のレーザーダイオードを高密度に配置して特に高出力の合波ビームを得ることが可能になる。
【００３１】
そして、上記１つのブロックを、複数の平板を高さ方向またはコリメーターレンズの光軸方向に積層固定して形成する場合は、該ブロックを１つの部材を切削加工して形成する場合と比べると、該ブロックをより安価に形成可能であり、したがってレーザー装置のコストダウンが実現される。
【００３２】
また、特に上記ブロックが、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および前記光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ上記平板が積層されてなるものである場合は、平板の枚数を少なく抑えることができるから、ブロック加工の工数を抑えて、より一層のコストダウンが実現される。
【００３３】
なお上述のような平板は、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、ＳｉあるいはＡｌＮ等を好適に用いて、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、このような平板を積層して形成されるブロックは、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。
【００３４】
【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。
【００３５】
図１、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。図示されるようにこのレーザー装置10は、銅または銅合金を切削加工して形成されたヒートブロック（ステム）11上に、一例として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なるコリメーターレンズアレイ14との組合せが２組固定されてなるものである。
【００３６】
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。そして上記組合せの１つを構成する２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ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固定されている。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】
一方ヒートブロック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）に縦壁部として形成されたレンズ規定面11ｂと、上記発光点12ａから発散光状態で射出されるレーザービーム12Ｂのケラレを回避する凹部11ｃと、レンズ規定面11ｄと、水平なレンズ固定面11ｆとからなる取付け部分を２カ所有している。図２に明示される通り、これら２カ所の取付け部分は、互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされている。
【００３８】
そして上記取付け部分の１カ所毎にそれぞれ、レーザー固定面11ａに２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12が固定され、また上方を向いた水平なレンズ固定面11ｆにコリメーターレンズアレイ14が固定される。
【００３９】
上記レーザー固定面11ａは、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12は、熱拡散性を確保してその温度上昇を抑制するために、それぞれレーザー固定面11ａにロウ材を用いて固定され、また両チップ12、12どうしもロウ材により固定される。
【００４０】
またレンズ規定面11ｂは、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から所定距離離れて、該マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光軸に垂直に形成されている。このレンズ規定面11ｂも、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４１】
またレンズ規定面11ｄは、上記規定面11ｂに直角で、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光軸に平行な縦壁部として形成されている。このレンズ規定面11ｄも、平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４２】
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が一列に一体的に固定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ｆ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のうち左側５個のピッチ、右側５個のピッチは、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。またこれら左側５個、右側５個のコリメーターレンズ14ａの間には、２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。
【００４３】
さらに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が並んだ部分から左右に張り出した部分を有し、この部分の後方端面は高平坦面に加工されて、ヒートブロック11への当接面14ｂとされている。
【００４４】
上方を向いた水平なレンズ固定面11ｆも平面度が0.5μｍ以下である高平坦面に加工され、コリメーターレンズアレイ14はその下端面14ｆをこのレンズ固定面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。
【００４５】
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の光軸とが一致する状態にコリメーターレンズアレイ14を位置合わせする必要がある。本実施の形態の場合は、コリメーターレンズアレイ14の下端面14ｆをレンズ固定面11ｆの上に載せ、当接面14ｂをレンズ規定面11ｂに押し付けるとともに、コリメーターレンズアレイ14の一方の側端面14ｄを上記レンズ規定面11ｄに押し付けることにより、上述の位置合わせが自動的になされるようになっている。
【００４６】
ヒートブロック11におけるコリメーターレンズアレイ14の固定位置とレンズ規定面11ｂとの位置関係は、上記のようしてコリメーターレンズアレイ14がヒートブロック11に固定されたとき、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に来るように設定されている。そこで、コリメーターレンズアレイ14がヒートブロック11に固定されると、コリメーターレンズ14ａの光軸方向位置は、自ずと適正な位置、つまり発散光であるレーザービーム12Ｂを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００４７】
また、ヒートブロック11のレンズ規定面11ｂが前述の通りの高平坦面とされているので、このヒートブロック11にコリメーターレンズアレイ14を固定する際の該アレイ14の動きを抑制して、正確に位置合わせを行うことが可能になる。
【００４８】
また、ヒートブロック11のレーザー固定面11ａも前述の通りの高平坦面とされているので、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12をヒートブロック11に固定する際の該チップ12の動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００４９】
以上説明した本実施の形態のレーザー装置10は、図１および２に示されている通り、複数のレーザービーム12Ｂを１本に合波して、高強度のレーザービームを得るために使用されている。すなわち、このレーザー装置10のヒートブロック11はベース板21上に固定され、該ベース板21上にはさらにマルチモード光ファイバー30の入射端部を保持するファイバーホルダ23が固定されている。
【００５０】
上記の構成において、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た合計20本のレーザービーム12Ｂは、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。
【００５１】
本実施の形態において、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。20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、480ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。また、各レーザービーム12Ｂの出力が50ｍＷで、損失が上記と同じ場合には、8000ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５２】
また本実施の形態のレーザー装置10においては、１つのヒートブロック11に形成された複数の取付け部分にそれぞれ、２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ12とコリメーターレンズアレイ14との組合せを取り付けているので、複数のヒートブロックを積み重ねる場合のように複数のブロックどうしを高精度で位置決めする必要がなく、よってこのレーザー装置10は組立てが容易なものとなる。
【００５３】
また、コリメーターレンズアレイ14をヒートブロック11にロウ材で固定する場合は、前述したようにこの固定後の冷却過程において、コリメーターレンズアレイ14が動きやすいという事情がある。しかしこのレーザー装置10では、コリメーターレンズアレイ14を、その下端面14ｆがヒートブロック11のレンズ固定面11ｆの上に支持された状態で該ヒートブロック11に取り付けるようにしているので、コリメーターレンズアレイ14のヒートブロック11に対する上下移動が規制され、該コリメーターレンズアレイ14が上下方向に位置ずれを起こしてしまうことを防止できる。
【００５４】
また本実施の形態では、ヒートブロック11のレーザー固定面11ａに、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12の発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マーク40が形成されている。そこで、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12を該ヒートブロック11に実装する際に、この基準マーク40を参照してマルチキャビティレーザーダイオードチップ12を発光点並び方向に簡単に位置決めして取り付けることができる。それにより、レーザー装置10の組立て工程が簡素化され、またマルチキャビティレーザーダイオードチップ12の水平方向位置決め精度も高く保つことができる。
【００５５】
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２つ用いる代わりに、発光点を10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つ用いてもよい。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。
【００５６】
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。この後者の場合、上記実施の形態と同様に１本のレーザービームの出力が30ｍＷで、損失10％で１本に合波するものとすると、405ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られる。
【００５７】
なお、図１に示される合波モジュールの全体を密閉容器内に気密封止して配置することにより、長寿命化を達成することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４および５はそれぞれ、本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置10’の平面形状および側面形状を示すものである。なおこれらの図４および図５において、図１〜３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）。
【００５９】
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と比べると基本的に、マルチキャビティレーザーダイオードチップ12に代えて、それぞれ発光点を１つだけ持つシングルキャビティレーザーダイオードが複数並設された点が異なるものである。すなわち本実施の形態ではヒートブロック11’の各レーザー固定面11ａに、チップ状態の横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオード12’が１０個並設されている。
【００６０】
このように複数のシングルキャビティレーザーダイオードを並設して用いる場合も、それらとコリメーターレンズアレイ14との組合せを、ヒートブロック11’において互いに高さ位置および光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分に各々取り付ければ、その構成により、第１実施の形態におけるのと同様の効果を奏することができる。
【００６１】
なおこの第２の実施の形態では、図１〜３の装置において形成されたレンズ規定面11ｄは省かれており、コリメーターレンズアレイ14の図４における上下方向の取付け位置は、該コリメーターレンズアレイ14を固定する際にそれを図４の上下方向に動かして調整するようにしている。
【００６２】
またこの第２の実施の形態では、ベース板21上にヒートブロック11’とは別の集光レンズホルダ25が固定され、集光レンズ20はこの集光レンズホルダ25の上面に固定される。
【００６３】
次に、本発明の第３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３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。この第３の実施の形態によるレーザー装置110は、図１〜３に示したレーザー装置10と比べると、光学的要素は全て基本的に同一のものとされ、ヒートブロック11に代えて平板積層型のヒートブロック111が用いられた点だけが異なるものである。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
また、平板111Ｂ、111Ｄのレーザー固定面111ａに対する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。
【００６９】
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。
【００７０】
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、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、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。
【００７１】
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。
【００７２】
なお、４枚の平板111Ａ〜111Ｄよりも多数の平板を積層固定して、ヒートブロック111と同形状のヒートブロックを形成することも可能である。つまり例えば、図７の１枚の平板111Ａからなる部分を、それよりも薄い２枚以上の平板を積層固定して形成することができる。それは、他の平板111Ｂ〜111Ｄの各々からなる部分についても同様である。
【００７３】
しかし、本実施の形態におけるようにヒートブロック111を、階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ平板111Ａ〜111Ｄを積層して形成すれば、上述のようにする場合と比べて平板の枚数が少くて済むので、ブロック加工の工数を抑えて、より一層のコストダウンが実現される。
【００７４】
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。
【００７５】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置110’の側面形状を示すものである。この第４の実施の形態においては、ベース板21の上に集光レンズホルダ25およびレンズアレイホルダ130が固定され、集光レンズ20が集光レンズホルダ25の上面に、そして１つのコリメーターレンズアレイ14がレンズアレイホルダ130の上に固定されている。また、１枚の平板111Ｅの上面（レーザー固定面111ａを含む面）にもレンズアレイホルダ130が固定され、その上面に別のコリメーターレンズアレイ14が固定されている。
【００７６】
上述のような集光レンズホルダ25およびレンズアレイホルダ130を適用することにより、本実施の形態ではヒートブロック111’を、積層固定された２枚の平板111Ｅおよび111Ｆから形成可能となっている。なお本実施の形態では、レーザー固定面111ａが、レンズ固定面を兼ねることになる。
【００７７】
以上説明した第３および第４の実施形態では、複数の平板が高さ方向に積層されているが、複数の平板をコリメーターレンズの光軸方向に積層してもよい。以下図９を参照して、そのように構成された本発明の第５の実施の形態について説明する。
【００７８】
この第５の実施形態によるレーザー装置110”において、ヒートブロック111”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（図１参照）の光軸方向に積層固定された２枚の平板111Ｇおよび111Ｈから構成されている。このようにしても、複数の平板を積層固定してブロックを形成することによる前述の効果を得ることができる。
【００７９】
また、このような平板の積層構造は、図７に示したような形状のヒートブロックを形成する際にも、同様に適用可能である。
【００８０】
なお本発明は、以上のように光ファイバーを用いて複数本のレーザービームを１本に合波する構成に限らず、平行光化した複数本のレーザービームを集光レンズによって集光し、それらの各レーザービームを例えば複数の変調部が１次元に配列されてなる空間変調素子の各変調部で収束させて、独自に変調するような構成に適用することも可能である。そのような空間変調素子としては、ライン状の液晶空間変調素子やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）やＧＬＶ（グレーティング・ライトバルブ）等が用いられ得る。
【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】
さらに本発明は、平行光化した後の複数本のレーザービームを特に集光はしない構成においても同様に適用可能で、その場合にも前述した本発明の効果を得ることができる。
【００８３】
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】図４のレーザー装置の側面図
【図６】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７】図６のレーザー装置の側面図
【図８】本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図９】本発明の第５の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【符号の説明】
10、10’、110、110’、110” レーザー装置
11、11’、111、111’、111” ヒートブロック
11ａ、111ａ ヒートブロックのレーザー固定面
11ｂ、11ｄ ヒートブロックのレンズ規定面
11ｆ、111ｆ ヒートブロックのレンズ固定面
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
12’ 横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオード
14 コリメーターレンズアレイ
14ａ コリメーターレンズ
14ｂ コリメーターレンズアレイの当接面
14ｆ コリメーターレンズアレイの下端面
20 集光レンズ
30 マルチモード光ファイバー
111Ａ〜111Ｈ ヒートブロックを構成する平板
Claims (8)
- 複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持した１つのブロックと、
前記レーザーダイオードから発せられた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を備えてなるレーザー装置において、
前記１つのブロックに、互いに高さ位置および前記コリメーターレンズの光軸方向位置を変えて階段状とされた複数の取付け部分が形成され、
これら複数の取付け部分にそれぞれ、前記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が取り付けられていることを特徴とするレーザー装置。 - 前記コリメーターレンズアレイが、その下面を前記ブロックの取付け部分の上面に支持させた状態で該ブロックに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザー装置。
- 前記ブロックの取付け部分の中で、前記レーザーダイオードが取り付けられる面に、該レーザーダイオードの発光点並び方向の取付け位置を指示する基準マークが形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー装置。
- 前記複数のレーザーダイオードが、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からな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。
- 前記マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることを特徴とする請求項４記載のレーザー装置。
- 前記複数のレーザーダイオードが、１つ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チップが複数並設されたもの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１つのブロックが、複数の平板を高さ方向または前記光軸方向に積層固定して形成されたものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のレーザー装置。
- 前記１つのブロックが、前記階段状とされた複数の取付け部分の高さ位置および前記光軸方向位置が異なる毎に１枚ずつ前記平板が積層されてなるものであることを特徴とする請求項７記載のレーザー装置。
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