JP5701636B2 - 干渉を抑えたレーザダイオード装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にガス検出に用いるレーザビームを生成するレーザダイオード装置に関する。本装置では、密閉されたハウジング内にレーザダイオードが備えられている。ハウジングには、底部、レーザビームを放射するウィンドウ、電気接続系、レーザダイオードの温度制御装置、レーザビームの伝達且つ／又は調整用の光学系などが備えられている。温度制御装置はハウジングの底部に備えられてレーザダイオードを載置している。

このような構造のレーザダイオードは、例えば狭帯域の放射光源として光検出器と共に、混合ガス中の所定のガスの濃度の測定に用いられる。検出器により、検出すべきガスの吸収スペクトルが測定される。レーザダイオードから生成されたレーザビームは、検出すべきガスに対応して波長が調整されて混合ガスに向けて放射される。波長が調整されているので、レーザビームはガスに強く吸収される。レーザビームの吸収度が、ガス濃度の指標として用いられる。

温度変化により波長の調整がし易いレーザダイオード、例えば、分布帰還（ＤＦＢ）又は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの単一モードのレーザダイオードを用いて分析すべきガスのスペクトルを走査して、特徴的なスペクトル線に基づいてガスを検出することはよく知られている。レーザダイオードは熱電温度制御デバイス、例えば、冷却ペルチエ素子を用いて、設定された温度に保って駆動されることが多く、レーザダイオードの駆動電流を変化させてレーザダイオードからの放射光が調整される。ガスセンサ技術にレーザダイオードを用いる場合には、例えば、調整可能なレーザダイオード分光（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ： ＴＤＬＳ）において要求される高検出感度を得るには、レーザダイオードからの放射光の干渉を低く抑える必要がある。ハウジング、レンズ又はレーザダイオードを放射するウィンドウの表面における極めて僅かな背面反射であっても、レーザビームの自己混合及び／又はエタロンによる影響がある。高解像度の試験装置においてガスによる吸収が弱い場合には、自己混合及びエタロン共に信号の解像度を落す光学的なノイズの原因となる。

本発明は、レーザダイオードのハウジング内の背面反射による自己混合及び／又はエタロンによる影響を極めて低く抑えるか又は完全に除去して、信号の解像度を改善することを目的としている。

上記課題は、下記のように構成したレーザダイオードにより解決される。

（１）ガス検出に用いるレーザビームを生成するレーザダイオード並びに底部及び前記レーザビームの形状を調整した後に外へ放射するウィンドウを含んで構成される密閉されたハウジングを備え、前記ハウジングには前記レーザダイオード、電気接続系、前記レーザダイオードの温度制御装置、前記レーザビームを伝達し且つ／又は前記レーザビームの形状を調整する光学素子及び該光学素子を動かすアクチュエータを有する駆動機構が備えられ、
前記レーザダイオードは、前記ハウジングの底部に装着された前記温度制御装置に担持され且つ前記光学素子は前記レーザダイオードから所定の光路長を隔てて配置され、
前記駆動機構は、前記光学素子を前記レーザダイオードに対して動かすことにより、前記光路長を周期的にレーザ光の波長のオーダで変化させ、
前記光学素子は、コリメータレンズ又は偏向ミラーであり、
前記コリメータレンズは、前記アクチュエータから側方に伸長したカンチレバーに保持されるか、又は
前記偏向ミラーは、その一端が前記ハウジングの底部に装着された保持部材に回転可能に連結され且つ前記保持部材から隔たって前記アクチュエータに保持されていることを特徴とするレーザダイオード装置。

（２）前記光学素子は、光学的な回折素子であることを特徴とする前記（１）に記載のレーザダイオード装置。

（３）前記駆動機構は、アクチュエータを有し、該アクチュエータを介して前記光学素子が前記底部に結合されていることを特徴とする前記（１）に記載のレーザダイオード装置。

（４）前記アクチュエータにより、前記光学素子が移動、回転又は旋回されることを特徴とする前記（３）に記載のレーザダイオード装置。

（５）前記駆動機構の制御系により、直流電圧及び／又は交流電圧が前記アクチュエータに印加されることを特徴とする前記（３）又は（４）に記載のレーザダイオード装置。

（６）前記制御系は、前記交流電圧の振幅、周波数及び／又は波形を変化させることを特徴とする前記（５）に記載のレーザダイオード装置。

（７）前記アクチュエータは、圧電振動式、電気機械式、静電式又は温度制御式の駆動装置であることを特徴とする前記（３）ないし（５）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。

（８）前記ウィンドウ及び／又は前記光学素子は光軸を有し、その光軸は前記レーザダイオードの開口の光軸に対して傾斜していることを特徴とする前記（１）に記載のレーザダイオード装置。

上記のように構成したレーザダイオード装置では、駆動機構が光学素子のレーザダイオードに対する位置及び／又は整列状態を周期的に変化させて光路長を周期的に変化させることにより、ハウジング内のレーザビームの背面反射に起因するエタロン及び／又は自己混合が時間平均されてレーザダイオード装置の光学的ノイズ又は干渉が抑えられる。そのため、ガス検出に適したレーザビームを生成するレーザダイオード装置が提供できるようになった。

レーザダイオードの開口と平行に配置された可動なコリメータレンズを備えた本発明による第一の実施例の構造を示す断面図 レーザダイオードの開口に対して傾斜して配置された可動なコリメータレンズを備えた本発明による第二の実施例の構造を示す断面図 レーザダイオードの開口に対して傾斜して配置された可動な偏向ミラーを備えた本発明による第三の実施例の構造を示す断面図

本発明は、レーザダイオードの開口から放射されたレーザビームが、レーザダイオード装置のハウジング内の光学系部品の反射面及びハウジング壁により反射されてレーザダイオードの開口に入射する背面反射の時間平均に基づいている。このことは、可動な光学素子を用いて、反射面と開口の間のレーザビームの光路長を連続的且つ周期的に僅かに変化させることにより達成される。ここで、「僅か」とは、光路長の変化がレーザ光の波長のオーダであることを意味する。可動な光学素子以外に、光路内に固定されたビーム形成素子又はビーム案内素子を備えてもよい。

レーザダイオードによりレーザビームが生成され、反射されて開口に戻される一部のレーザビームを時間平均するために、本発明によるレーザダイオード装置は、レーザダイオードに対する光学素子の位置及び／又は整列状態を周期的に変化させる電気的に制御可能な駆動機構を含んでいる。光学素子の動きに伴って、レーザダイオードと光学素子の間の光路長が変化する。レーザダイオード装置は平行光線又は発散する光線を放射できる。平行光線の場合には、コリメータレンズ自身又は他の光学素子のハウジングに対する位置及び／又は整列状態を変えることができる。コリメータレンズをハウジングに固定してウィンドウを形成し、例えば、他の光学素子として偏向ミラーを用いてレーザダイオード装置を形成することもできる。レーザダイオード装置が発散するレーザ光を放射する場合、すなわちコリメータレンズを用いない場合には、他の光学素子を平行光線化しないウィンドウと協調させて作動してもよい。駆動機構は、レーザダイオード装置のハウジング内におけるレーザビームの光路長を周期的に振動させて変化させる。レーザビームの振動は、レーザ光の波長に影響するレーザダイオードの電流の変調と非同期であることが好ましい。

一般的には、つぎの３つが光路長を変化させる方法として用いられる。光学素子は、光路に対して平行、垂直に動かすか又は光路に対して回転させて光路長を変化させるか、これらを組み合わせてもよい。第一の方法では、例えばコリメータレンズを光軸に沿って振動させながら動かして、レーザダイオードとコリメータレンズとの間隔を変化させることが可能である。コリメータレンズの代りに、ハウジングの底部に備えられた、温度制御装置としてのペルチエ素子に担持されたレーザダイオードを動かすことは問題である。温度制御装置とレーザダイオードの間又はハウジングの底部と温度制御装置の間に配置されたレーザダイオードを動かす圧電素子などのアクチュエータは、レーザダイオードの熱安定性に悪影響を及ぼす。レーザダイオードの温度が僅かに変化しても、波長の安定性及びレーザビームの質に悪影響を及ぼす。従って、光路長を変化させるのに、レーザダイオードを周期的に動かすことは好ましくない。特に、温度制御装置及び／又はハウジングの底部とレーザダイオードとの距離を絶えず変化させることは好ましくない。

好適な実施例においては、例えばコリメータレンズ、偏向ミラーなどレーザビームに影響を与える光学素子のレーザダイオードからの距離は、駆動機構により変化させることができる。コリメータレンズ、偏向ミラーなどレーザビームの方向又は形状を変化させる光学素子を動かすのに用いられる駆動機構は、可動な光学素子及びハウジング、好ましくはハウジングの底部に結合された電気的アクチュエータを含んで構成される。可動なコリメータレンズとしては、マイクロレンズが好ましい。コリメータレンズが、ウィンドウも形成する場合には、偏向ミラーとしてはマイクロミラーが好ましい。マイクロレンズ又はマイクロミラーは、アクチュエータに結合された担持部材上に配置するか、又はアクチュエータ上に直接に配置してもよい。担持部材として、カンチレバーを用いることが適切であることが判明した。この場合、カンチレバーの一端は、アクチュエータに固着されて他端がアクチュエータの側方に伸張しており、マイクロレンズ又はマイクロミラーはカンチレバーに配置される。

アクチュエータにより光学素子の移動、回転又は旋回させることができる。アクチュエータの操作方向並びに光学素子との結合方式及び結合方向に応じて、光学素子をレーザダイオードの開口の光軸に対して周期的に所望通りに動かすことができる。開口から放射されるレーザビームに対する傾斜角を保ちつつ、レーザダイオード装置の光路に平行か又は垂直に光学素子を移動させるか、又は三次元空間の１つ又は複数の座標軸に対して傾斜させてもよい。駆動機構は複数の傾斜角の組み合わせにも適用できる。

圧電振動式、電気機械式、静電式又は温度制御式の駆動機構をアクチュエータとして用いてもよい。本発明によるレーザダイオード装置では、駆動機構にはアクチュエータへ直流及び／又は交流電圧を印加する制御系も含まれている。この直流電圧は、光検出器と共にレーザビームの方向の調整にも用いられる。背面反射されたレーザ光の最適な時間平均が得られるように、交流電圧の振幅、周波数及び／又は波形を制御系により変化させることができる。例えば、可動なコリメータレンズによる背面反射の時間平均では、シリコン製のマイクロレンズを用い、そのマイクロレンズの焦点面がレーザダイオードの開口に位置するようにアクチュエータに装着する。マイクロレンズは、レーザビームの放射方向（ｚ−方向）に沿って、例えばＶＳＣＥＬなどレーザダイオードの開口から数百μｍ離れた位置に装着される。駆動機構の制御系の交流電圧を印加してアクチュエータが操作されると、開口の上方に位置するマイクロレンズはｚ−方向に振動して時間平均が行なわれる。交流電流は、平均される母数が十分であるような周波数が選定される。このようにして、マイクロレンズの境界面に起因するエタロン及び／又は自己混合効果が効率的に平均化される。

簡単な構造ではあるが、電圧を印加するとその高さが変化する圧電振動素子をアクチュエータとして用いてもよい。更に、レーザダイオードの開口はコリメータレンズの焦点面に、但し焦点に中心を合わせないで配置することが好ましい。実際には、コリメータレンズの光軸を開口の光軸に対して側方に３０〜５０μｍずらして配置するのが最適である。また、コリメータレンズの焦点面がレーザビームに対して垂直ではなく１０〜２０°傾斜するようにコリメータレンズをアクチュエータに装着することが好ましい。

本発明では、コリメータレンズの代りに、同じ効果を有するビーム形成素子を用いてもよい。ビーム形成素子には、例えば、種々の材料から作製されたマイクロレンズ、ミラー又はＧＲＩＮレンズなどが含まれる。ミラーとしては、凸面鏡、放物面鏡、軸外し放物面鏡、楕円面鏡などを用いてもよい。回折光学部品を、可動又は固定された光学素子として用いてもよい。

レーザダイオードの開口へ向かう背面反射されたレーザ光の時間平均を得るのに、レーザビームの軸をコリメータレンズの軸に対して絶えず左右に回転させてもよい。これにより、背面反射の光路長が絶えずに変化するので、背面反射に起因する干渉が効率よく平均化される。レーザビームの光軸を絶えず左右に振動するように回転させるのに、例えば、レーザビームがコリメータレンズの表面に到達する前に可動な偏向ミラーに到達するように、偏向ミラーをアクチュエータに装着してもよい。レーザダイオード装置の寸法を小型に保つように、例えば、数平方ミリメータのいわゆる「マイクロミラー」を用いてもよい。

偏向ミラーは、少なくとも１つの軸の周りを回転させることができる。一般的には、そのようなマイクロミラーは、交流電圧を重畳させた直流電圧により操作される。直流電圧がマイクロミラーの不偏の位置を規定し、交流電圧がマイクロミラーを不偏の位置の周りを左右に振動するように回転させる。レーザビームの光路長は約１〜２ｍｍであることから、背面反射を効率よく時間平均するためには、光路差は１〜２μｍ必要となるので、偏向ミラーの不偏の一位置からの偏向は極めて僅かである。レーザビームの軸を回転させることにより、全ての反射面に対して絶えず光路差が生成されるので、全ての干渉が効率的に平均化される。これにより、エタロン又は自己混合に起因する干渉は大幅に抑えられる。マイクロミラーを操作する直流電圧によるレーザビームの不偏な位置決めは、光検出器へのレーザビームを自動的に調整するのにも適用できる。この場合、アクチュエータにより２つの軸の周りで偏向可能なマイクロミラーを用いることが好ましい。この２軸偏向式のミラーは、単軸偏向式のミラーよりも優れていることは明らかである。

本発明では、ウィンドウ、コリメータレンズ及び／又は偏向ミラーの光軸は、レーザダイオードの開口の光軸に対して傾斜して配置されていることが特徴である。傾斜角は、ウィンドウ、コリメータレンズ及び／又は偏向ミラーによりの背面反射光がレーザダイオードの開口を逸れるように選定される。

レーザダイオード装置としては、ＶＣＳＥＬに限定されず、ＤＦＢ及び他の形式のレーザダイオードも使用できる。特に、選定されたレーザダイオード装置には、可動な偏向ミラーと組み合わせた可動なコリメータレンズが含まれることが重要である。

以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明するが、図面に示された実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明によるレーザダイオード装置１を示す第一の実施例であり、底部４に一群の電気接続系３を備えて密閉されたハウジング２を有する。底部４に対向してレーザダイオード６からのレーザビーム７をハウジング２から外へと放射するウィンドウ５が備えられている。ウィンドウ５は、底部４及びレーザダイオード６の開口８に対して傾斜している。レーザダイオード６は、温度制御装置としてのペルチエ素子９に載置されている。ペルチエ素子９は底部４上に装着され、その冷却面上にレーザダイオード６が担持されている。冷却面に対向したペルチエ素子９の加熱面は、底部４に結合され熱が伝達されるように構成されている。更に、レーザダイオード６に隣接して温度センサとしの（不図示の）サーミスタが備えられている。ペルチエ素子９の駆動電流を制御する制御部をペルチエ素子に備えてもよい。

レーザダイオード６とウィンドウ５との間に、レーザビーム７を平行光線とするコリメータレンズ１０が備えられている。コリメータレンズ１０は、レーザダイオード６の開口８に平行に配置されている。コリメータレンズ１０は開口８から約２ｍｍ隔たっている。レーザ光の波長（一般的には１μｍ〜３μｍ）に応じて、コリメータレンズ１０が、例えば圧電発振素子などのアクチュエータ１２によりレーザビーム７の放射方向１１に沿って前後に動かされる。アククエータ１２は、ペルチエ素子９の側方において底部４上に配置されている。コリメータレンズ１０は、アクチュエータ１２上から側方に伸張したカンチレバー１３により保持されている。コリメータレンズ１０は、開口８、従ってレーザビーム７に対して３０〜５０μｍ側方に変位している。図では明確にではないが、この変位は、レーザビーム７に平行なコリメータレンズ１０からのレーザビーム７の背面反射が開口８から逸らす効果がある。

アクチュエータ１２はカンチレバー１３と共に、（不図示の）制御装置により、コリメータレンズ１０とレーザダイオード６の間の光路長１５を絶えず周期的に変更できる電気的に制御可能な駆動機構１４を形成する。偏向の方式により、コリメータレンズ１０の位置は時間に応じて変化する。例えば、任意の振幅又は任意の周波数の鋸歯型、正弦波、確率又はガウス分布状の制御信号を、制御系により、アクチュエータ１２に適用してもよい。

レーザダイオード６の開口８へ向かうハウジング２のウィンドウ５からの背面反射による干渉を防ぐために、ウィンドウ５は、コリメータレンズ１０及び開口８に対して傾斜した状態でハウジング２に装着される。このため、ウィンドウ５により反射されたレーザビーム７はコリメータレンズ１０を逸れて開口８には到達しない。これにより、自己混合が防止される。

図２は、第一の実施例と類似の第二の実施例を示す断面図である。本実施例によるレーザダイオード装置１′では、コリメータレンズ１０がレーザビーム７に対して傾斜している点のみが、第一の実施例と異なっている。第一の実施例では、コリメータレンズ１０がレーザビーム７と直交しているのに対し、本実施例では、コリメータレンズ１０がレーザビーム７に対し直交位置から傾いた角度（傾斜角）に配置されている。傾斜角は１０〜３０°に設定することが好ましい。コリメータレンズ１０がレーザビーム７の放射方向に対して傾斜していることにより、コリメータレンズ１０により反射されたレーザビーム７は、レーザダイオード６の開口８の近傍を通過する。この対策により、マイクロレンズ１０の境界面における反射に起因する自己混合は著しく抑えられ、エタロンの時間平均は効率が向上する。

アクチュエータ１２とカンチレバー１３の間にくさび１６を挿入することにより、カンチレバー１３はレーザビーム７に対して傾斜して配置される。本実施例では、アクチュエータ１２、カンチレバー１３及びくさび１６が駆動機構１４を形成している。コリメータレンズ１０は、カンチレバー１３に平行に配置される。コリメータレンズ１０と開口８の間隔を図１に示す実施例１と同じとするために、アクチュエータ１２の高さを低く設定する必要がある。コリメータレンズ１０は傾斜した状態で、アクチュエータ１２によりレーザダイオード６に対して上下に振動し、それに伴い光路長１５が変化する。

図３は、第三の実施例を示す断面図である。この図に示すレーザダイオード装置１″では、コリメータレンズ１０は、同時にウィンドウ５としても構成され、ハウジング２の底部４に平行に配置されている。実施例１、２のレーザダイオード６と同様に、レーザダイオード６′は、ハウジング２の底部４の中心からずれて配置された温度制御装置としてのペリチエ素子９に担持されている。実施例１、２と異なって、レーザダイオード６″の側面に開口８が備えられている。開口８から放射されたレーザビーム７は、偏向ミラー１７により反射されてコリメータレンズ１０に向かう。

偏向ミラー１７は、その一端がペルチエ素子９に隣接してハウジングの底部４に装着された保持部材１８に旋回可能に連結され、偏向ミラー１７の他端部は、保持部材１８からやや隔たって底部４に装着されたアクチュエータ１２に結合されている。アクチュエータ１２により、偏向ミラー１７の開口８に対する傾斜、従ってレーザビーム７に対する傾斜、更にはウィンドウ５を兼ねているコリメータレンズ１０に対する傾斜も絶えず周期的に変化する。アククエータ１２は、保持部材１８と共に、コリメータレンズ１０とレーザダイオード６′の間の光路長１５を絶えず周期的に変化させる電気的に制御可能な駆動機構１４を形成している。上記実施例のレーザダイオード装置１、１′の様に、駆動機構１４の制御系（不図示）により交流電圧を用いてアクチュエータ１２が制御される。交流電圧は偏向ミラー１７の不偏の位置を規定する直流電圧に重畳させてもよい。偏向ミラー１７によりコリメータレンズ１０に対してレーザビーム７を旋回させることにより、レーザダイオード装置１″のハウジング２の全ての考えられ得る反射面に対するレーザビーム７の光路長１５が変化するので、全ての光学的干渉が効率よく平均化される。これにより、エタロン又は自己混合による干渉が大幅に抑えられる。

上述した本発明の特徴は、単独でも組み合わせて用いてもよい。

１、１′、１″ レーザダイオード装置
２ ハウジング
３ 電気的接続部
４ 底部
５ ウィンドウ
６、６′ レーザダイオードチップ
７ レーザビーム
８ （レーザダイオードチップの）開口
９ ペルチエ素子（温度制御装置）
１０ コリメータレンズ（光学素子）
１１ （レーザビームの）放射方向
１２ アクチュエータ
１３ カンチレバー
１４ 駆動機構
１５ 光路長
１６ くさび
１７ 偏向ミラー
１８ 保持部材

Claims (8)

1. ガス検出に用いるレーザビームを生成するレーザダイオード並びに底部及び前記レーザビームの形状を調整した後に外へ放射するウィンドウを含んで構成される密閉されたハウジングを備え、前記ハウジングには前記レーザダイオード、電気接続系、前記レーザダイオードの温度制御装置、前記レーザビームを伝達し且つ／又は前記レーザビームの形状を調整する光学素子及び該光学素子を動かすアクチュエータを有する駆動機構が備えられ、
   前記レーザダイオードは、前記ハウジングの底部に装着された前記温度制御装置に担持され且つ前記光学素子は前記レーザダイオードから所定の光路長を隔てて配置され、
   前記駆動機構は、前記光学素子を前記レーザダイオードに対して動かすことにより、前記光路長を周期的にレーザ光の波長のオーダで変化させ、
   前記光学素子は、コリメータレンズ又は偏向ミラーであり、
   前記コリメータレンズは、前記アクチュエータから側方に伸長したカンチレバーに保持されるか、又は
   前記偏向ミラーは、その一端が前記ハウジングの底部に装着された保持部材に回転可能に連結され且つ前記保持部材から隔たって前記アクチュエータに保持されていることを特徴とするレーザダイオード装置。
2. 前記光学素子は、光学的な回折素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード装置。
3. 前記駆動機構は、アクチュエータを有し、該アクチュエータを介して前記光学素子が前記底部に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード装置。
4. 前記アクチュエータにより、前記光学素子が移動、回転又は旋回されることを特徴とする請求項３に記載のレーザダイオード装置。
5. 前記駆動機構の制御系により、直流電圧及び／又は交流電圧が前記アクチュエータに印加されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のレーザダイオード装置。
6. 前記制御系は、前記交流電圧の振幅、周波数及び／又は波形を変化させることを特徴とする請求項５に記載のレーザダイオード装置。
7. 前記アクチュエータは、圧電振動式、電気機械式、静電式又は温度制御式の駆動装置であることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
8. 前記ウィンドウ及び／又は前記光学素子は光軸を有し、その光軸は前記レーザダイオードの開口の光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード装置。

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