JP2007049125A

JP2007049125A - レーザモジュール

Info

Publication number: JP2007049125A
Application number: JP2006187570A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nagano; 和彦永野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】ピッグテール型のレーザモジュールにおいて、放熱用部材を別途設けることなく、放熱性を向上させる。
【解決手段】レーザモジュール１は、レーザ素子１１が気密封止されたレーザパッケージ１０を含むレーザユニット２と、集光光学系３１を含む集光光学系ユニット３と、集光された光が入射する光ファイバ５１とから構成され、レーザユニット２はレーザパッケージ１０を保持するホルダ本体２１及び連結部材２２とからなるレーザパッケージホルダ２０を備え、集光光学系ユニット３は集光光学系３１を保持するホルダ本体４１及び連結部材４２とからなる集光光学系ホルダ４０を備え、連結部材２２と連結部材４２とが互いに溶接されたものであり、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光光学系ホルダ４０の連結部材４２の熱伝導率より大きく設定されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザモジュールに係り、特に、レーザ素子と、レーザ素子からの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、レーザ素子と集光光学系とがユニット化されたレーザモジュールに関するものである。

光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内にレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージと、レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、少なくともレーザパッケージと集光光学系とがユニット化された、いわゆるピッグテール型のレーザモジュールが開示されている。

例えば、特許文献１には、レーザパッケージと集光光学系とが同一のホルダに収容され、さらに光ファイバの光入射側端部も該ホルダ内に収容されたレーザモジュールが開示されている。特許文献２には、レーザパッケージと集光光学系とが異なるホルダに各々収容され、レーザパッケージと集光光学系のホルダ同士が溶接され、集光光学系のホルダに光ファイバの光入射側端部を受容するレセプタクルが取り付けられたレーザモジュールが開示されている。

上記ホルダの材質としては、部材同士の溶接が容易である・汎用材料である等の理由から、ステンレス（ＳＵＳ３０４）が一般に使用されている。ステンレス（ＳＵＳ）は熱伝導率が１６Ｗ／ｍＫ程度と比較的低い材質であり、熱拡散性が低いため溶接に好適である。

上記レーザ素子としては、従来、発振波長９８０ｎｍ／出力９０ｍＷの赤外半導体レーザ素子など、比較的低出力のレーザ素子が用いられていた。赤外半導体レーザ素子の電気／光変換効率は４０〜６０％であり、出力９０ｍＷ時のレーザ素子からの発熱は６０〜１３５ｍＷと見積もられる。

近年、上記レーザ素子として、より高出力、例えば出力２００〜５００ｍＷのＧａＮ系等の紫外半導体レーザ素子（ブロードエリア半導体レーザ素子）を用いることが検討されている。ＧａＮ系等の紫外半導体レーザ素子は、電気／光変換効率が２０〜２５％であり、出力５００ｍＷ時のレーザ素子からの発熱は１．５〜２Ｗと見積もられる。この放熱は赤外系の約５〜６倍と大きいため、熱伝導性の低いステンレス（ＳＵＳ３０４）製のホルダではレーザ素子からの発熱を充分に放熱することができない。

また、レーザ素子のタイプによらず、複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを用いる合波モジュールでは、レーザ素子の数が増えるにつれて、レーザパッケージ内の総発熱量が大きくなるため、熱伝導性の低いステンレス（ＳＵＳ）製のホルダではレーザ素子からの発熱を充分に放熱することができない。

レーザ素子からの発熱が充分に放熱されないと、レーザ素子等の熱劣化によるモジュールの低寿命化を招いてしまう。特許文献１には、背景技術として、レーザパッケージにペルチェ素子等の温度制御ユニットを取り付けて放熱させる放熱構造が記載されている。また、特許文献１には、レーザパッケージに熱伝導性が良好なＣｕＷ等の材質からなる断面視Ｌ字状のステム（２）を取り付けて、温度制御ユニットを搭載せずに放熱性を高める放熱構造が開示されている。
特開2004-288879号公報特開平7-168064号公報

しかしながら、放熱性を高めるために、レーザパッケージに温度制御ユニットや断面視Ｌ字状のステム（２）を取り付けることは、部品点数の増加、コスト増、モジュールの大型化に繋がり、好ましくない。
また、レーザパッケージと集光光学系とが異なるホルダに各々収容され、レーザパッケージと集光光学系のホルダ同士が溶接された特許文献２に記載のレーザモジュールにおいては、高出力レーザ素子を用いた場合の放熱構造について開示がない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、放熱用部材を別途設けることなく、レーザ素子からの発熱に対する放熱性が向上され、レーザパッケージ内の発熱量が多い系（ＧａＮ系等の高出力レーザ素子を用いる系や複数のレーザ素子を用いる系）にも対応可能な小型のピッグテール型のレーザモジュールを提供することを目的とするものである。

本発明の第１のレーザモジュールは、光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内に単数又は複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを含むレーザユニットと、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系を含む集光光学系ユニットと、前記集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、前記レーザユニットと前記集光光学系ユニットとが連結されたレーザモジュールにおいて、
前記レーザユニットは、前記レーザパッケージを保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記集光光学系ユニットとの連結用である連結部材とからなるレーザパッケージホルダを備え、
前記集光光学系ユニットは、前記集光光学系を保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記レーザユニットとの連結用である連結部材とからなる集光光学系ホルダを備え、
前記レーザパッケージホルダの前記連結部材と前記集光光学系ホルダの前記連結部材とが互いに溶接されたものであり、
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの前記連結部材の熱伝導率より大きく設定されたことを特徴とするものである。

本発明の第１のレーザモジュールにおいて、前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの前記連結部材の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。

本明細書において、熱伝導率は、一定の断面形状を持つ試料に熱を流し、試料の一定の長さの温度差を熱電対などの素子により測定することにより、算出するものとする。

本発明の第２のレーザモジュールは、光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内に単数又は複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを含むレーザユニットと、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系を含む集光光学系ユニットと、前記集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、前記レーザユニットと前記集光光学系ユニットとが連結されたレーザモジュールにおいて、
前記レーザユニットは、前記レーザパッケージを保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記集光光学系ユニットとの連結用である連結部材とからなるレーザパッケージホルダを備え、
前記集光光学系ユニットは、前記集光光学系を保持し収容する集光光学系ホルダを備え、
前記レーザパッケージホルダの前記連結部材と前記集光光学系ホルダとが互いに溶接されたものであり、
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの熱伝導率より大きく設定されたことを特徴とするものである。

本発明の第２のレーザモジュールにおいて、前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。

本発明の第１、第２のレーザモジュールの好適な態様としては、前記集光光学系ホルダに、前記光ファイバの光入射側端部を受容するレセプタクルと、該レセプタクルに取り付けられた前記光ファイバの光入射面に当接して該光入射面を保護する透光性保護部材とが設けられたものが挙げられる。かかる態様においては、前記透光性保護部材の光入射面に入射する光のパワー密度を１０Ｗ／ｍｍ^２以下とすることが好ましい。
本明細書において、「光パワー密度」は、MELLES GRIOT社製「熱型パワーメータ 13PEM001」を用いて、測定するものとする。

本発明の第１、第２のレーザモジュールは、前記レーザ素子の発振波長が３５０〜５００ｎｍである場合などに有効である。

本発明の第１のレーザモジュールは、レーザユニットがレーザパッケージを保持し収容するホルダ本体と連結部材とからなるレーザパッケージホルダを備え、集光光学系ユニットが集光光学系を保持し収容するホルダ本体と連結部材とからなる集光光学系ホルダを備え、レーザパッケージホルダの連結部材と集光光学系ホルダの連結部材とが互いに溶接されたものである。

本発明の第１のレーザモジュールはまた、レーザパッケージホルダのホルダ本体の熱伝導率が、レーザパッケージホルダの連結部材及び集光光学系ホルダの連結部材の熱伝導率より大きく設定されたものである。レーザパッケージホルダのホルダ本体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、レーザパッケージホルダの連結部材及び集光光学系ホルダの連結部材の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。

本発明の第１のレーザモジュールでは、レーザパッケージホルダのホルダ本体の熱伝導率が相対的に大きく設定されているので、放熱用部材を別途設けることなく、レーザ素子からの発熱に対する放熱性を向上させることができる。また、互いに溶接されるレーザパッケージホルダの連結部材及び集光光学系ホルダの連結部材については熱伝導率を相対的に小さく設定しているので、溶接熱のレーザパッケージホルダ内への伝導が抑えられる。本発明の第１のレーザモジュールによれば、レーザパッケージ内の発熱量が多い系（ＧａＮ系等の高出力レーザ素子を用いる系や複数のレーザ素子を用いる系）にも対応可能で、モジュール構造が簡易で小型なピッグテール型のレーザモジュールを提供できる。

本発明の第２のレーザモジュールは、レーザパッケージホルダの連結部材と集光光学系ホルダとが互いに溶接され、レーザパッケージホルダのホルダ本体の熱伝導率が、レーザパッケージホルダの連結部材及び集光光学系ホルダより大きく設定されたものである。本発明の第２のレーザモジュールは、基本的な構造が上記の本発明の第１のレーザモジュールと同様であるので、同様の効果を奏する。

図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザモジュールの構造について説明する。図１及び図２は、後記レセプタクルと光ファイバとが接続された状態、これらの接続途中の状態を各々示す図（光軸を通る断面図）である。

本実施形態のレーザモジュール１はいわゆるピッグテール型のレーザモジュールであり、光源であるレーザ素子１１が気密封止されたレーザパッケージ１０を含むレーザユニット２と、レーザパッケージ１０からの出射光Ｌを集光する集光レンズ（集光光学系）３１を含む集光光学系ユニット３と、集光レンズ３１により集光された光Ｌが入射する光ファイバ５１とを備え、レーザユニット２と集光光学系ユニット３とが連結されユニット化されたモジュールである。

レーザパッケージ１０は、缶パッケージ１５内に１個のレーザ素子１１が気密封止されたものである。缶パッケージ１５は、円板状のパッケージベース１３と光出射用の透光性窓１４ａを備えた断面視略コ字状のキャップ１４とからなり、パッケージベース１３とキャップ１４とは互いに気密に抵抗溶接されている。缶パッケージ１５内には、不活性ガスが封入されていることが好ましい。

パッケージベース１３の材質としては、パッケージベース１３とキャップ１４の溶接時の熱拡散を抑えるために、熱伝導率が低くリード線の封止材料と熱膨張係数が近い低熱膨張係数のものが使用され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（熱伝導率：１０Ｗ／ｍＫ）、Ｆｅ−Ｎｉ合金（熱伝導率：１０Ｗ／ｍＫ）、ＣｕＷ（熱伝導率：２００Ｗ／ｍＫ）等が主に用いられる。キャップ１４の材質としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（熱伝導率：１４Ｗ／ｍＫ）、Ｆｅ−Ｎｉ合金（Ｆｅ含有量４２％、熱伝導率：１４Ｗ／ｍＫ）等が使用される。透光性窓１４ａの材質はガラス等が使用される。

パッケージベース１３としては、Ｃｕ板を基板とし、そのキャップ１４との溶接部分にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の低熱伝導部材を接合したものや、Ｆｅ／Ｃｕ／Ｆｅ積層構造体（この場合、キャップ１４との溶接部分の表面は低熱伝導性材料のＦｅ）等を用いることもできる。かかるパッケージベース１３では、リード線の封止部分はＣｕからなり、熱応力がより低減されるので、該部分における気密封止性の点で好ましい。

レーザ素子１１としては特に制限なく、ＧａＮ系（３７０〜４５０ｎｍ）、ＡｌＧａＩｎＰ系（５８０〜６９０ｎｍ）、ＩｎＧａＰ系（６５０〜１０００ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓ系（７００〜１０００ｎｍ）、ＧａＡｓＰ系（７００〜１０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ系（１０００〜３５００ｎｍ）、ＩｎＡｓＰ系（１０００〜３５００ｎｍ）等の半導体レーザ素子等が挙げられる。（）内の数字は発振波長域を示す。

本実施形態のレーザモジュール１は、従来一般に使用されている比較的低出力の赤外半導体レーザ素子はもちろんのこと、高出力の紫外半導体レーザ素子（ＧａＮ系等、発振波長３５０〜５００ｎｍ、例えば出力２００〜５００ｍＷ）の使用にも対応可能なものである。

レーザ素子１１は、缶パッケージ１５のパッケージベース１３に突設された放熱ブロック１２に、公知方法にてろう材（ＡｕＳｎやＩｎ等）を介して実装されている。放熱ブロック１２の材質としては、Ｃｕ（熱伝導率：３９５Ｗ／ｍＫ）等が好ましく用いられる。レーザ素子１１は、光出射面が缶パッケージ１５の透光性窓１４ａと対向するよう配置されている。レーザ素子１１に駆動電流を供給するリード線等の配線類１７が、缶パッケージ１５のパッケージベース１３から外部に引き出されている。

パッケージベース１３としてＦｅ／Ｃｕ／Ｆｅ積層構造体を用いる場合には、Ｆｅ／Ｃｕ／Ｆｅ積層構造体を用いて、プレス加工等により放熱ブロック１２及びパッケージベース１３を一体成形することもできる。この場合は、キャップ１４との溶接部分の表面はＦｅ層であるので、溶接を良好に行うことができ、放熱ブロック１２及びパッケージベース１３の内部はＣｕで構成されるので良好な放熱性が得られ、好ましい。一体成形なので、コスト面でも有利である。

レーザユニット２は、レーザパッケージ１０の他に、レーザパッケージ１０を保持し収容するホルダ本体２１と、ホルダ本体２１に固定され、集光光学系ユニット３との連結用である連結部材２２とからなるレーザパッケージホルダ２０を備えている。

ホルダ本体２１は、その内面がパッケージベース１３の周面に当接してレーザパッケージ１０全体を周面側から覆う筒状部材（好ましくは鏡筒）である。本実施形態において、レーザパッケージ１０とホルダ本体２１とは圧入により組み立てられている。かかる構成では、レーザパッケージ１０とホルダ本体２１とが互いに良好に接触して、レーザパッケージ１０からホルダ本体２１に効率よく放熱が行われる。

ホルダ本体２１は、円筒から集光光学系ユニット３側の端部外面側を部分的に切欠した形状を呈する部材である。部分的に切欠された形状の部分を切欠部２１ａと称す。連結部材２２は金属リング等からなり、圧入等によりホルダ本体２１の上記切欠部２１ａに固定されている。連結部材２２は集光光学系ユニット３側の端面がホルダ本体２１より突出するよう、厚みが設計されている。

集光レンズ３１は、缶パッケージ１５の透光性窓１４ａと対向配置された、光入射面と光出射面に各々凸レンズ面を有するレンズである。

集光光学系ユニット３は、集光レンズ３１の他に、集光レンズ３１を保持し収容するホルダ本体４１と、ホルダ本体４１に固定され、レーザユニット２との連結用である連結部材４２とからなる集光レンズホルダ（集光光学系ホルダ）４０を備えている。

ホルダ本体４１は内径が光入射側から段階的に変えられた筒状部材からなり、その光出射側端面４１Ｘには、光ファイバ５１の光入射側端部を受容するレセプタクル４３が取り付けられている。本実施形態では、光出射側端面４１Ｘ上に光Ｌの集光点が位置するよう調整されている。

ホルダ本体４１においては、光入射側の端部４１ａの内径Ｄａは集光レンズ３１の径に略等しく設定され、該部分に集光レンズ３１が嵌着されて保持されている。端部４１ａに続く部分４１ｂ、４１ｃの内径Ｄｂ、ＤｃはＤａより順次小さく設定され、光出射側の端部４１ｄの内径ＤｄはＤｃより大きく設定されている。

符号４１ｃで示す部分は集光点よりはレーザユニット２側であるが、光Ｌがある程度集光された部分であり、その内径Ｄｃは該部分を通過する光束の最大径と略等しく設定されている。光出射側の端部４１ｄの内空洞部には、レセプタクル４３に光ファイバ５１が取り付けられた際に、光ファイバ５１の光入射面に当接して該面を保護する透光性保護部材４６が着脱自在に嵌着されている。透光性保護部材４６としては、円柱状ガラスブロック等が好ましい。符号４１ｃで示す部分が透光性保護部材４６のストッパをなしている。

連結部材４２は、光入射側端部４２ａの外径がその他の部分４２ｂの外径より大きく、ホルダ本体４１の外径に略等しい内径を有する筒状部材である。連結部材４２の外径が小さい部分４２ｂの内側にホルダ本体４１の光入射側端部４１ａが光軸方向に摺動自在に嵌め込まれるようになっている。連結部材４２に対してホルダ本体４１を相対摺動させて、光出射側端面４１Ｘ上に光Ｌの集光点が位置するよう集光レンズ３１の位置を調整してから、ホルダ本体４１と連結部材４２とは溶接固定されている（溶接箇所に符号Ｙ１を付してある）。また、連結部材４２の外径が大きい光入射側端部４２ａが、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２に当接して、これらが溶接固定されている（溶接箇所に符号Ｙ２を付してある）。これら部材間の溶接方法としては特に制限されず、調芯と固定の効率の点でＹＡＧ溶接等が好ましい。

従来は、レーザパッケージホルダのホルダ本体及び連結部材、集光レンズホルダのホルダ本体及び連結部材は、すべて熱伝導率の比較的低いステンレス（ＳＵＳ）により構成されていた。

これに対して、本実施形態では、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の材質が、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２とは異なっている。そして、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２の熱伝導率より大きく設定されている。レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。集光レンズホルダ４０をなすホルダ本体４１と連結部材４２とは、溶接容易性等を考慮すれば、同一材質からなることが好ましい。

レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の材質としては、アルミニウム（熱伝導率２３８Ｗ／ｍＫ）又はその合金、銅（熱伝導率３９５Ｗ／ｍＫ）又はその合金等が好ましく用いられる。

レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１及び連結部材４２の材質としては、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下の低熱伝導性材料であり、しかも部材同士の溶接が容易で汎用材料であることから、ステンレス（ＳＵＳ３０４、熱伝導率１６Ｗ／ｍＫ）等が好ましく用いられる。

本実施形態では、パッケージベース１３に当接したレーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が相対的に大きく設定されているので、放熱用部材を別途設けることなく、レーザ素子１１からの発熱をパッケージベース１３及びレーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１を介して、外部に効率よく放熱させることができる。

また、単にレーザパッケージホルダ２０の熱伝導率を相対的に大きく設定するだけでは、レーザパッケージホルダ２０と集光レンズホルダ４０との溶接時に、溶接熱がレーザパッケージホルダ２０全体に伝導されやすくなり、内部に収容されたレーザ素子１１等に影響を与える恐れがある。

本実施形態のレーザモジュール１では、互いに溶接されるレーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２については熱伝導率を相対的に小さく設定している。かかる構成により、溶接熱のレーザパッケージホルダ２０内への伝導が抑えられている。

本実施形態ではさらに、連結部材２２の集光光学系ユニット３側の端面をホルダ本体２１より突出させて、連結部材２２及び連結部材４２の接合面とホルダ本体２１とを空間を介して隔絶する構成としている。かかる構成により、溶接熱のレーザパッケージホルダ２０内への伝導が一層抑えられるので、溶接に必要な熱エネルギーが少なくて済み、しかも、溶接部分周辺の部材の温度上昇が抑えられて溶接による歪みが抑えられ、高精度に溶接を実施することができる。

本実施形態では以上の構成によって、レーザ素子１１等の熱劣化が高レベルに抑制され、高寿命化が図られている。

本実施形態において、光ファイバ５１は、レセプタクル４３に嵌着されるコネクタ５３を備えたコネクタ付き光ファイバ５０の形態で、レセプタクル４３に着脱自在に取り付けられるようになっている。コネクタ付き光ファイバ５０は、光ファイバ５１の光入射側端部がフェルール５２に挿入固定され、フェルール５２及びその近傍部分がコネクタ５３内に光軸方向に摺動自在に取り付けられたものである。コネクタ５３には、レセプタクル４３に嵌着された時にフェルール５２を透光性保護部材４６に押圧するバネ部材５４が内蔵されている。

レセプタクル４３は、同心円状に配置され互いに嵌着された内部材４４と外部材４５との二重構造を有している。内部材４４には、フェルール５２の外面とコネクタ５３の内面との間に入り、フェルール５２の外面に略当接して該面を支持する筒状の内スリーブ４４ａと、コネクタ５３の外面に係合して該面を支持する筒状の外スリーブ４４ｂとが設けられている。外スリーブ４４ｂとコネクタ５３には各々、互いに係合する係合部４４ｃおよび５３ａが設けられている。外部材４５は、内部材４４とコネクタ５３との接続部分等を覆って保護する筒状部材である。

レセプタクル４３にコネクタ５３を接続すると、フェルール５２はバネ部材５４により付勢されて透光性保護部材４６に押し付けられ、光ファイバ５１の光入射面が透光性保護部材４６に当接される。

レセプタクル４３の内スリーブ４４ａの内径バラツキは２μｍ以下、フェルール５２の外径バラツキは１μｍ以下とすることが好ましい。かかる寸法精度とすれば、光Ｌの集光点とフェルール５２及びこれに保持された光ファイバ５１とを３μｍ以下の位置精度で合わせることができ、光ファイバ５１のコアに光Ｌを低損失で入射させることができる。

レーザ素子１１として高出力レーザ素子を用いる場合、光ファイバ５１の光入射面が露出していると、集光点及びその近傍は光のパワー密度が高いため、周囲に浮遊する塵埃の集塵や、周囲に揮発している有機物のレーザ光との化学反応によって生成される分解物の付着等が起こり、長期使用後に光ファイバ５１の光入射面が汚染され、透過率等の光学特性が低下する恐れがある。本実施形態では、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１に透光性保護部材４６を設けているので、光ファイバ５１の光入射面が汚染から保護され、長期使用安定性に優れている。

本実施形態では、透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘに入射する光のパワー密度が１０Ｗ／ｍｍ^２以下となるよう設計することが好ましい。透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘにおける光のパワー密度は集光点よりも小さいが、ある程度集光された部分であり、比較的パワー密度が大きい部分である。本発明者は、露出した透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘにおける光のパワー密度を上記のように小さく規定することで、該面における汚染を良好に抑制できることを見出している。

図３は、透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘにおける光パワー密度と、レーザモジュール１の寿命との関係を示すデータ例であり、透光性保護部材４６を交換しなかった場合のデータである。レーザ素子１１の出力は２５０ｍＷとした。寿命は、レーザモジュール１の出力パワーが、初期出力パワーの６０％になった時点で定義している。光入射面４６Ｘにおける光パワー密度が大きい程、モジュールの劣化が大きく、透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘに入射する光のパワー密度を１０Ｗ／ｍｍ^２以下とすることで、１８０００時間程度以上の寿命が得られることが示されている。なお、特開2004-253783号公報記載のレーザモジュールのように光ファイバの光入射面を大気に曝さないように完全に気密封止したレーザモジュールの製品寿命は２００００時間程度であり、本実施形態のレーザモジュール１では、完全密封時の寿命に対する寿命の低下が１０％以下に抑えられている。完全密封することなく、かかる高寿命モジュールを提供できることは、モジュールの低コスト化に繋がる。

光入射面４６Ｘにおける光パワー密度は、透光性保護部材４６の光軸方向の厚み等を設計することで、調整できる。

例えば、レーザ素子１１の出力２５０ｍＷ、光ファイバ５１のＮＡ０．２２、集光ビームの入射ＮＡ０．２の条件で、透光性保護部材４６として屈折率１．５のガラスを使用する場合、透光性保護部材４６内の集光ビームのＮＡは０．１２１７となる。この条件では、透光性保護部材４６の厚みが０．７ｍｍのときに、光入射面４６Ｘにおける光パワー密度は１０Ｗ／ｍｍ^２となる。同様の条件で、レーザ素子１１の出力を１Ｗとすると、透光性保護部材４６の厚みが１ｍｍのときに、光入射面４６Ｘにおける光パワー密度は１０Ｗ／ｍｍ^２となる。したがって、上記条件では、レーザ素子１１の出力が２５０ｍＷの場合には透光性保護部材４６の厚みを０．７ｍｍ以上とし、レーザ素子１１の出力が１Ｗの場合には透光性保護部材４６の厚みを１．０ｍｍ以上とすれば、光入射面４６Ｘにおける光パワー密度を１０Ｗ／ｍｍ^２以下とすることができる。

本実施形態では、図１及び図２に示す如く、コネクタ５３はレセプタクル４３に対して着脱自在であり、透光性保護部材４６は集光レンズホルダ４０に対して着脱自在である。透光性保護部材４６の着脱は、レセプタクル４３の内スリーブ４４ａ内を通過させて行われる。本実施形態では、長期使用後に透光性保護部材４６の光入射面等が汚染した際には、透光性保護部材４６のクリーニングや透光性保護部材４６の交換を容易に行うことができる。本実施形態では、光Ｌの集光点とレセプタクル４３内のスリーブ４４ａ、４４ｂの位置は変わらないため、透光性保護部材４６や光ファイバ５１を交換しても、集光点と光ファイバ５１の位置精度が良好に維持される。

（製造方法）
本実施形態のモジュール１の製造方法について概略説明する。

はじめに、レーザ素子１１を缶パッケージ１５の放熱ブロック１２に実装し、必要に応じて脱気処理・不活性ガス導入等を実施してから、パッケージベース１３とキャップ１４とを抵抗溶接して気密封止し、レーザパッケージ１０を調製する。このレーザパッケージ１０をレーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の一端から圧入固定する。ホルダ本体２１には、レーザパッケージ１０の圧入固定前又は圧入固定後に、連結部材２２を圧入固定する。以上の手順を経て、レーザユニット２が調製される。

別途、集光レンズホルダ４０の連結部材４２に、あらかじめ透光性保護部材４６を嵌着したホルダ本体４１を嵌め込み、光出射側端面４１Ｘ上に光Ｌの集光点が位置するよう位置調整する。位置調整後、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１と連結部材４２とを溶接する。以上の手順を経て、集光光学系ユニット３が調製される。

本実施形態では、光ファイバ５１の光入射面に当接して該面を保護する透光性保護部材４６を設ける構成とし、光ファイバ５１の光入射面が露出しない構成になっているので、集光レンズホルダ４０に高気密性は要求されない。したがって、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１と連結部材４２との溶接には、それ程大きな気密性は要求されず、溶接ではなく接着剤や半田等による固定でも構わない。

次に、レーザユニット２と集光光学系ユニット３とを合わせて調芯し、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２と集光レンズホルダ４０の連結部材４２とを溶接する。

次に、レセプタクル４３を、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１の光出射側端面４１Ｘに固定する。レセプタクル４３は、光Ｌが最も効率よく光ファイバ５１に集光して入射する位置に固定される。最後に、レセプタクル４３にコネクタ付き光ファイバ５０を嵌着して、本実施形態のレーザモジュール１が完成する。

本実施形態のレーザモジュール１は、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２の熱伝導率より大きく設定されたものである。レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。

本実施形態では先に詳述したように、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率を相対的に大きく設定しているので、放熱用部材を別途設けることなく、レーザ素子１１からの発熱に対する放熱性を向上させることができる。本実施形態のレーザモジュール１では、互いに溶接されるレーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダ４０の連結部材４２については熱伝導率を相対的に小さく設定しているので、溶接熱のレーザパッケージホルダ２０内への伝導が抑えられるようになっている。本実施形態では、これら双方の効果が相俟って、レーザ素子１１等の熱劣化が高レベルに抑制され、高寿命化が図られている。

本実施形態ではまた、集光レンズホルダ４０に、光ファイバ５１の光入射側端部を受容するレセプタクル４３と、レセプタクル４３に光ファイバ５１が取り付けられた際に、光ファイバ５１の光入射面に当接して該面を保護する透光性保護部材４６とを設けたものであるので、光ファイバ５１の光入射面の汚染が抑制され、高寿命化が図られている。

また、透光性保護部材４６の光入射面４６Ｘに入射する光のパワー密度を１０Ｗ／ｍｍ^２以下とすることで、該面における汚染も抑制され、好ましい。

本実施形態では、レーザ素子１１を１個備えたレーザモジュールについて説明したが、本発明は複数のレーザ素子１１を使用して、複数のレーザ素子１１からの出射光を合波して１個の光ファイバ５１に入射する合波モジュールにも適用可能である。複数のレーザ素子１１を使用する場合には、レーザ素子１１を各々異なる放熱ブロック１２に実装して、缶パッケージ１５内に複数の放熱ブロック１２を並べて配置することが好ましい。

本発明によれば、レーザパッケージ１０内の発熱量が多い系（ＧａＮ系等の高出力レーザ素子を用いる系や複数のレーザ素子を用いる系）にも対応可能で、モジュール構造が簡易で小型の高寿命なレーザモジュールを提供できる。本実施形態は、レーザ素子１１として、発振波長が３５０〜５００ｎｍの高出力の紫外半導体レーザ素子を使用する場合などに有効である。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。

上記実施形態では、ホルダ本体４１と連結部材４２とからなる集光レンズホルダ４０についてのみ説明したが、これらが一体化された１個の部材からなる集光レンズホルダを用い、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２と集光レンズホルダとを溶接して固定することも可能である。かかる構成では、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率を、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダの熱伝導率より大きく設定すればよい。この場合、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、レーザパッケージホルダ２０の連結部材２２及び集光レンズホルダの熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。かかる態様でも、上記実施形態と同様の効果が得られる。

１個の集光レンズ３１により集光光学系を構成する場合について説明したが、平行光束化するコリメートレンズと集光レンズなど、レンズを組み合わせて集光光学系を構成することもできる。コリメートレンズと集光レンズを組み合わせて使用する場合には、コリメートレンズの位置を調整して調芯をしてもよい。

集光レンズホルダ４０と光ファイバ５１の接続態様等は適宜設計変更できる。

本発明に係る実施例について説明する。

（実施例１）
（株）ソフトウェアクレイドル社製の３次元熱流体システムを用いて、上記実施形態のレーザモジュール１の放熱性をシミュレーション評価した（図４参照）。レーザ素子１１の素子温度とパッケージベース１３の下面温度とはある一定の温度差を保ったままほぼ同じ温度変化の挙動を示すため、レーザ素子１１の素子温度の代わりにパッケージベース１３の下面中央部の温度をシミュレーションで求めた。シミュレーション条件は以下の通りとした。

レーザ素子１１：出力５００ｍＷ、電気／光変換効率２３％の１個の高出力レーザ素子。
パッケージ１５：Ｃｕ板を基材とし、キャップ１４との溶接部分にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を接合した構造体をパッケージベース１３とする５．６ｍｍφの缶パッケージ。
レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ以上。

放熱ブロック１２の温度を２０℃に保つ条件でシミュレーションを実施したところ、パッケージベース１３の下面中央部の温度は２４℃以下と温度上昇が小さく抑えられており、レーザモジュール１は良好な放熱性を有することが確認された。

（実施例２）
レーザ素子１１として出力２００ｍＷのＧａＮ系半導体レーザ素子を１個用い、レーザパッケージ１０の放熱ブロック１２の材質をＣｕ（熱伝導率：３９５Ｗ／ｍＫ）、パッケージベース１３の材質を冷間圧延鋼板ＳＰＣ（熱伝導率：７１Ｗ／ｍＫ）、レーザパッケージホルダ２０のホルダ本体２１の材質をアルミニウム合金（熱伝導率：２００Ｗ／ｍＫ）とし、レーザパッケージ２０の連結部材２２、集光レンズホルダ４０のホルダ本体４１及び連結部材４２の材質をいずれもステンレス（ＳＵＳ３０４、熱伝導率：１６Ｗ／ｍＫ）とし、上記実施形態に記載の方法に従い、レーザモジュール１を製造した。

＜評価及び結果＞
パッケージベース１３の下面温度をサーミスタを用いて実測した。放熱ブロック１２の温度を２０℃に保ち、パッケージベース１３の下面中央部の温度を実測したところ２５℃であり、ホルダ本体２１に対する温度上昇は５℃に抑えられており、レーザモジュール１は良好な放熱性を有することが確認された。これは、実施例１のシミュレーション結果とほぼ一致している。

実施例１及び２の評価結果から、本発明によれば、高出力で電気／光変換効率が低く発熱量が大きな２００〜５００ｍＷのレーザ素子を用いる場合にも、良好な放熱性が得られることが確認された。

本発明のレーザモジュールは、光通信、レーザ加工機、固体レーザ励起用光源等の用途に好ましく利用できる。

本発明に係る実施形態のレーザモジュールのレセプタクルと光ファイバとが接続された状態を示す断面図本発明に係る実施形態のレーザモジュールのレセプタクルと光ファイバとの接続途中の状態を示す断面図透光性保護部材の光入射端面におけるパワー密度と寿命の関係を示すグラフ放熱性シミュレーション結果を示すグラフ

符号の説明

１レーザモジュール
２レーザユニット
３集光光学系ユニット
１０レーザパッケージ
１１レーザ素子
１４ａ透光性窓
１５缶パッケージ
２０レーザパッケージホルダ
２１ホルダ本体
２２連結部材
３１集光レンズ（集光光学系）
４０集光レンズホルダ（集光光学系ホルダ）
４１ホルダ本体
４１Ｘ集光レンズホルダの光出射側端面
４２連結部材
４３レセプタクル
４６透光性保護部材
４６Ｘ光入射面
５１光ファイバ
Ｌ光
Ｙ１、Ｙ２溶接箇所

Claims

光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内に単数又は複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを含むレーザユニットと、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系を含む集光光学系ユニットと、前記集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、前記レーザユニットと前記集光光学系ユニットとが連結されたレーザモジュールにおいて、
前記レーザユニットは、前記レーザパッケージを保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記集光光学系ユニットとの連結用である連結部材とからなるレーザパッケージホルダを備え、
前記集光光学系ユニットは、前記集光光学系を保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記レーザユニットとの連結用である連結部材とからなる集光光学系ホルダを備え、
前記レーザパッケージホルダの前記連結部材と前記集光光学系ホルダの前記連結部材とが互いに溶接されたものであり、
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの前記連結部材の熱伝導率より大きく設定されたことを特徴とするレーザモジュール。
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの前記連結部材の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内に単数又は複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを含むレーザユニットと、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系を含む集光光学系ユニットと、前記集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとを備え、前記レーザユニットと前記集光光学系ユニットとが連結されたレーザモジュールにおいて、
前記レーザユニットは、前記レーザパッケージを保持し収容するホルダ本体と、該ホルダ本体に固定され、前記集光光学系ユニットとの連結用である連結部材とからなるレーザパッケージホルダを備え、
前記集光光学系ユニットは、前記集光光学系を保持し収容する集光光学系ホルダを備え、
前記レーザパッケージホルダの前記連結部材と前記集光光学系ホルダとが互いに溶接されたものであり、
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの熱伝導率より大きく設定されたことを特徴とするレーザモジュール。
前記レーザパッケージホルダの前記ホルダ本体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記レーザパッケージホルダの前記連結部材及び前記集光光学系ホルダの熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする請求項３に記載のレーザモジュール。
前記集光光学系ホルダに、前記光ファイバの光入射側端部を受容するレセプタクルと、該レセプタクルに取り付けられた前記光ファイバの光入射面に当接して該光入射面を保護する透光性保護部材とが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザモジュール。
前記透光性保護部材の光入射面に入射する光のパワー密度が１０Ｗ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項５に記載のレーザモジュール。
前記レーザ素子の発振波長が３５０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザモジュール。