JP6485745B2 - Laser device, ignition device, and adjustment method of laser device - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型半導体レーザー素子を用いて複数の発光点を形成するレーザーアレイと、各発光点に対応してレンズ面を形成するレンズアレイとを有して構成されるレーザーモジュールに係り、特に、レーザー加工機や内燃機関における点火装置等のように高出力なレーザーを用いる場合に好適なレーザー装置に関するものである。 The present invention relates to a laser module that includes a laser array that forms a plurality of light emitting points using a surface emitting semiconductor laser element, and a lens array that forms a lens surface corresponding to each light emitting point. In particular, the present invention relates to a laser device that is suitable when using a high-power laser such as a laser processing machine or an ignition device in an internal combustion engine.
レーザーモジュールとしては、高出力なレーザー光源を使用したデバイスがレーザー加工機等に用いられて広く知られている。
高出力なレーザー光源としては、単体のレーザー光源ではなく、複数のレーザー光源を合成して使う技術が既に知られており、例えば、特許文献１（特開２００２−２０２４４２号）、特許文献２（特開２００３−１５８３３２号）および特許文献３（特開平１０−２８４７７９号）等に開示されている。
一方、レーザー光源に面発光型レーザーアレイ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、すなわち垂直共振器面発光レーザー）を用いた高出力レーザーデバイスも知られており、面発光型レーザーアレイを用いた高出力の加工用レーザーモジュールが、例えば、特許文献４（特開２００２−２６４５２号）に開示されている。このように、加工用レーザーモジュールにおいて、面発光型半導体レーザーアレイを使用する例は、さほど多くはない。なお、通信用レーザーモジュールに関しては、面発光型レーザーアレイとマイクロレンズアレイとの組み合わせからなるモジュール構成に関連する技術が、例えば特許文献５（特開２０１３‐１４２７３０号）等に開示されている。
As a laser module, a device using a high-power laser light source is widely used for a laser processing machine or the like.
As a high-power laser light source, a technique of combining and using a plurality of laser light sources instead of a single laser light source is already known. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-202442), Patent Document 2 ( Japanese Patent Laid-Open No. 2003-158332) and Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-284779).
On the other hand, a high-power laser device using a surface-emitting laser array (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) as a laser light source is also known, and a high-power using a surface-emitting laser array is also known. A laser module for processing is disclosed in, for example, Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-26452). Thus, there are not many examples of using a surface emitting semiconductor laser array in a processing laser module. As for the communication laser module, a technique related to a module configuration including a combination of a surface emitting laser array and a microlens array is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-142730.
ここでは、主としてレーザー加工機や内燃機関における点火装置等にも使用可能な高出力なレーザー光源について検討する。
面発光型半導体レーザーアレイ光源は、端面発光型のレーザーダイオード（ＬＤ）と比較して、発光点の集積化が可能なため、発光点を多数配置することによって大きな光量を得ることができるという利点がある。しかしながら、従来の面発光型半導体レーザーアレイを用いたレーザーモジュールは、レーザー光のコリメートのためにレーザーアレイ直後にマイクロレンズアレイを設置する必要があるが、発光点を高い密度で集積させると、マイクロレンズアレイの焦点距離が短くなり、光学系の倍率が上がってしまう。光学系の倍率が上がると、マイクロレンズアレイの形状精度および取り付け精度に、より高い精度が要求されるようになってしまう。各種のばらつきを吸収させるためには、マイクロレンズアレイは、６軸に対して調整することが望ましい。
先に挙げた特許文献４には、面発光型半導体レーザーアレイ基板にマイクロレンズアレイを直接取り付けることが開示されているが、このように直接実装してしまうと、面発光型半導体レーザーアレイの発光点とマイクロレンズアレイとの間隔を調整することができず、コリメートの調整ができない。
Here, a high-power laser light source that can be used mainly for laser processing machines and ignition devices in internal combustion engines will be examined.
Since the surface emitting semiconductor laser array light source can be integrated with light emitting points as compared with the edge emitting laser diode (LD), it is possible to obtain a large amount of light by arranging a large number of light emitting points. There is. However, in a conventional laser module using a surface emitting semiconductor laser array, it is necessary to install a microlens array immediately after the laser array in order to collimate the laser light. The focal length of the lens array is shortened, and the magnification of the optical system is increased. As the magnification of the optical system increases, higher accuracy is required for the shape accuracy and mounting accuracy of the microlens array. In order to absorb various variations, the microlens array is desirably adjusted with respect to six axes.
Patent Document 4 mentioned above discloses that a microlens array is directly attached to a surface-emitting type semiconductor laser array substrate. If the microlens array is directly mounted in this way, light emission of the surface-emitting type semiconductor laser array is disclosed. The distance between the dots and the microlens array cannot be adjusted, and the collimation cannot be adjusted.
すなわち、マイクロレンズアレイを使った面発光型半導体レーザーアレイのコリメートには、高精度実装が求められる。しかしながら、従来の特許文献４等においては、面発光型半導体レーザーアレイとマイクロレンズアレイの高精度実装を可能とする具体的な方法および構成は、提示されていなかった。特に高精度な実装のためには、面発光型半導体レーザーアレイとマイクロレンズアレイの相対位置を高精度に設定する手段が必要となるが、この点についても具体的に提示する従来技術はなかった。
また、基板の重ね合わせ時における高精度な実装方法としては、アライメントマークによる位置座標検出を用いる方法も一般的に知られており、例えば特許文献６（特開２００５−２５１９７２号）等に示されている。
しかしながら、面発光型半導体レーザーアレイとマイクロレンズアレイの実装の場合には、面発光型半導体レーザーアレイ基板とマイクロレンズアレイには、コリメートのため間隔が必要であり、アライメントマークの検出のために、面発光型半導体レーザーアレイ基板とマイクロレンズの両方にマイクロスコープでピントを合わせることは困難であり、高精度（μmオーダー等）での実装は困難である。
That is, high-precision mounting is required for collimation of a surface emitting semiconductor laser array using a microlens array. However, in the conventional patent document 4 and the like, a specific method and configuration that enable highly accurate mounting of a surface emitting semiconductor laser array and a microlens array have not been presented. In particular, for high-precision mounting, a means for setting the relative position of the surface-emitting type semiconductor laser array and the microlens array with high precision is required, but there is no prior art that specifically presents this point as well. .
In addition, as a highly accurate mounting method at the time of overlaying substrates, a method using position coordinate detection using an alignment mark is also generally known, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-251972. ing.
However, in the case of mounting the surface emitting semiconductor laser array and the microlens array, the surface emitting semiconductor laser array substrate and the microlens array need a space for collimation, and for detecting the alignment mark, It is difficult to focus on both the surface-emitting type semiconductor laser array substrate and the microlens with a microscope, and it is difficult to mount with high accuracy (such as μm order).
上述したように、レーザー加工用等の高出力のレーザーモジュールにおいて、特許文献４のように面発光型半導体レーザーアレイを使用するものがある。
そして、特許文献４には、レーザー加工機等に用いられる光源において、調整を簡略化する目的で、面発光レーザーアレイ光源とそれに対応するマイクロレンズアレイとが一体に形成される構成が開示されている。しかしながら、このようにマイクロレンズアレイを面発光レーザーアレイ基板上に直接実装してしまうと、面発光型半導体レーザーアレイの発光点とマイクロレンズアレイとの光軸方向の間隔を調整することができず、コリメートの調整ずれによりレーザーの集光効率の低下を生ずるおそれがある。
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高出力な面発光型半導体レーザーアレイを用いるレーザーモジュールにおいて、面発光型半導体レーザーアレイに対するマイクロレンズアレイの位置ずれを高精度に検知し且つ調整することを可能とし、マイクロレンズアレイを高精度に実装する構成としたレーザー装置を提供することを目的としている。
As described above, some high-power laser modules for laser processing and the like use a surface-emitting type semiconductor laser array as in Patent Document 4.
Patent Document 4 discloses a configuration in which a surface emitting laser array light source and a corresponding microlens array are integrally formed for the purpose of simplifying adjustment in a light source used in a laser processing machine or the like. Yes. However, if the microlens array is directly mounted on the surface emitting laser array substrate in this way, the distance in the optical axis direction between the light emitting point of the surface emitting semiconductor laser array and the microlens array cannot be adjusted. There is a risk that the laser light collection efficiency may be reduced due to misalignment of the collimator.
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and in a laser module using a high-output surface-emitting semiconductor laser array, the positional deviation of the microlens array with respect to the surface-emitting semiconductor laser array can be detected with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a laser device that can be adjusted and has a configuration in which a microlens array is mounted with high accuracy.
本発明に係るレーザー装置は、上述した目的を達成するために、
所定領域に分布配列される複数の主発光点と前記所定領域に関連して配置される複数の副発光点とからなる面発光型の発光点が２次元的に配列されてなる面発光型レーザーアレイ基板と、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成とし、且つ
前記レンズアレイを前記面発光型レーザーアレイ基板に対応する位置に調整保持することを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, the laser apparatus according to the present invention provides
Surface-emitting laser in which surface-emitting type light-emitting points each composed of a plurality of main light-emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub-light-emitting points arranged in association with the predetermined area are two-dimensionally arranged. An array substrate;
A lens array in which a lens surface is formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface emitting laser array substrate;
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
The auxiliary light emitting point is controlled to be turned on independently from the main light emitting point, and the lens array is adjusted and held at a position corresponding to the surface emitting laser array substrate.
本発明に係るレーザー装置によれば、
所定領域に分布配列される複数の主発光点と前記所定領域に関連して配置される複数の副発光点とからなる面発光型の発光点が２次元的に配列されてなる面発光型レーザーアレイ基板と、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成とし、且つ
前記レンズアレイを前記面発光型レーザーアレイ基板に対応する位置に調整保持することにより、
主発光点とは独立に点灯制御される調整用の副発光点からのレーザービームを検知観察して、面発光型半導体レーザーアレイに対するマイクロレンズアレイの位置ずれを高精度に検知し且つ調整して、マイクロレンズアレイを高精度に実装することができる。
According to the laser device of the present invention,
Surface-emitting laser in which surface-emitting type light-emitting points each composed of a plurality of main light-emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub-light-emitting points arranged in association with the predetermined area are two-dimensionally arranged. An array substrate;
A lens array in which a lens surface is formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface emitting laser array substrate;
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
By configuring the sub-light emitting point to control lighting independently of the main light emitting point, and adjusting and holding the lens array at a position corresponding to the surface emitting laser array substrate,
Detect and observe the laser beam from the secondary light emitting point for adjustment, which is controlled to be turned on independently of the main light emitting point, and detect and adjust the displacement of the microlens array with respect to the surface emitting semiconductor laser array with high accuracy. The microlens array can be mounted with high accuracy.
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明のレーザー装置、点火装置およびレーザー装置の調整方法を詳細に説明する。
図１〜図１１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置を説明するためのもので、図１および図２は、この実施の形態に係るレーザー装置の要部の概略構成を示す図であり、図３〜図８は、図１および図２に示したレーザー装置の構成を詳細に説明するための図である。図９は、図１および図２に示したレーザー装置におけるレーザーアレイ光源の発光点の他の配置分布を示す図であり、そして図１０および図１１は、図１〜図９に示したレーザー装置における面発光型半導体レーザーアレイ基板に対するマイクロレンズアレイの取り付け調整を説明するための図である。
まず、この実施の形態に係るレーザー装置の要部の構成について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置の外観構成を示しており、そして図２は、図１のレーザー装置の縦断面の構成を模式的に示している。
Hereinafter, based on the embodiment concerning the present invention, with reference to drawings, the laser device of the present invention, the ignition device, and the adjustment method of a laser device are explained in detail.
1 to 11 are diagrams for explaining a laser device according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 1 and 2 show schematic configurations of main parts of the laser device according to this embodiment. 3 to 8 are diagrams for explaining the configuration of the laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2 in detail. 9 is a diagram showing another arrangement distribution of the light emitting points of the laser array light source in the laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2, and FIGS. 10 and 11 show the laser apparatus shown in FIGS. It is a figure for demonstrating attachment adjustment of the micro lens array with respect to the surface emitting semiconductor laser array board | substrate in FIG.
First, the structure of the principal part of the laser apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the external configuration of the laser apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 schematically shows the configuration of the longitudinal section of the laser apparatus of FIG.
図１および図２に示すレーザー装置としてのレーザーモジュールは、レーザーアレイ光源１、マイクロレンズアレイ２、集光レンズ３、光ファイバ４、マウント５、熱拡散板６、ヒートシンク７、ハウジング８、保持部材９およびリード線１０を具備している。
図１および図２に示すレーザー装置は、面発光型半導体レーザーアレイを用いたレーザーモジュールである。レーザーアレイ光源１は、面発光型半導体レーザーによる発光点が多数集積された面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ基板２０により構成している。レーザーアレイ光源１の前方には、レーザーアレイ光源１の各発光点に対応する位置にそれぞれマイクロレンズを形成してなるマイクロレンズアレイ２を配置している。マイクロレンズアレイ２は、コリメータとして機能し、レーザーアレイ光源１の各発光点からのレーザー光をコリメートして緩い発散光束、すなわちほぼ平行光束とする。集光レンズ３は、マイクロレンズアレイ２から射出されるほぼ平行光束を集光して、光ファイバ４の断面に入射させる。
A laser module as a laser device shown in FIGS. 1 and 2 includes a laser array light source 1, a microlens array 2, a condenser lens 3, an optical fiber 4, a mount 5, a heat diffusion plate 6, a heat sink 7, a housing 8, and a holding member. 9 and lead wire 10.
The laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2 is a laser module using a surface emitting semiconductor laser array. The laser array light source 1 is constituted by a laser array substrate 20 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate in which a large number of light emitting points by a surface emitting semiconductor laser are integrated. In front of the laser array light source 1, a microlens array 2 formed by forming microlenses at positions corresponding to the respective emission points of the laser array light source 1 is arranged. The microlens array 2 functions as a collimator, and collimates the laser light from each light emitting point of the laser array light source 1 into a loose divergent light beam, that is, a substantially parallel light beam. The condensing lens 3 condenses the substantially parallel light beam emitted from the microlens array 2 and makes it incident on the cross section of the optical fiber 4.
面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ光源１は、マウント５を介して台座として銅等の熱伝導性の高い材料で形成された熱拡散板６の一方の面上に取着されており、熱拡散板６の他方の面には、ヒートシンク７が取り付けられている。これら熱拡散板６およびヒートシンク７は、発熱するレーザーアレイ光源１を放熱し冷却するために設けられている。
ハウジング８は、熱拡散板６上のレーザーアレイ光源１からマイクロレンズアレイ２および集光レンズ３を介して光ファイバ４に至る光学系を覆って設けられる。集光レンズ３は、ハウジング８に取着され、ハウジング８内のマイクロレンズアレイ２から、光ファイバ４の端面に至る光路に配置される。ハウジング８への光ファイバ４の接続部には保持部材９を設けて、接続部を密封し且つ光ファイバ４を保持している。また、レーザーアレイ光源１部分に対して外部との間で電気的に接続を行うリード線１０は、ハウジング８の側壁を貫通して配設され、この貫通部分も適宜密封されている。すなわち、熱拡散板６とハウジング８は、密に結合されて、光ファイバ４の保持部材９およびハウジング８のリード線１０の貫通部と共に、レーザーアレイ光源１からマイクロレンズアレイ２および集光レンズ３を介して光ファイバ４に至る光学系部分を密閉し且つ保護している。
A laser array light source 1 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate is mounted on one surface of a thermal diffusion plate 6 formed of a material having high thermal conductivity such as copper as a base via a mount 5. The heat sink 7 is attached to the other surface of the heat diffusion plate 6. The heat diffusing plate 6 and the heat sink 7 are provided to dissipate and cool the laser array light source 1 that generates heat.
The housing 8 is provided so as to cover the optical system from the laser array light source 1 on the heat diffusion plate 6 to the optical fiber 4 through the microlens array 2 and the condenser lens 3. The condenser lens 3 is attached to the housing 8, and is disposed on the optical path from the microlens array 2 in the housing 8 to the end face of the optical fiber 4. A holding member 9 is provided at the connection portion of the optical fiber 4 to the housing 8 to seal the connection portion and hold the optical fiber 4. Further, the lead wire 10 that is electrically connected to the outside with respect to the laser array light source 1 portion is disposed through the side wall of the housing 8, and this through portion is also appropriately sealed. That is, the heat diffusing plate 6 and the housing 8 are tightly coupled, and together with the holding member 9 of the optical fiber 4 and the through portion of the lead wire 10 of the housing 8, the laser array light source 1 to the microlens array 2 and the condenser lens 3 The optical system part that reaches the optical fiber 4 via is sealed and protected.
図１および図２に示すレーザー装置において、レーザーアレイ光源１の各発光点から射出されたレーザー光は、マイクロレンズアレイ２の各マイクロレンズを個々に通ることによってコリメートされ、ほぼ平行光束として集光レンズ３に入射する。集光レンズ３によって集光されたレーザー光は、光ファイバ４の一端面に入射する。光ファイバ４の他端は、外部のレーザー使用機器、例えばレーザー加工機や、レーザーを利用したエンジン用の点火プラグ等に接続されており、光ファイバ４の一端に入射したレーザー光は、光ファイバ４によって、これらレーザー加工機あるいはエンジン点火プラグ等のような外部のレーザー使用機器に導かれ、利用される。上述したレーザーアレイ光源１、マイクロレンズアレイ２および集光レンズ３等の光学要素は、熱拡散板６、ハウジング８および保持部材９等によって密閉された空間内に配置される。
また、レーザーアレイ光源１を形成する面発光型半導体レーザーアレイ基板２０は、高密度のレーザー発光に伴って高い発熱を生じるので、能動的な冷却手段が必要となる。そのためレーザーアレイ光源１の発熱は、マウント５および熱拡散板６を介して、熱拡散板６の背面に取着されたヒートシンク７によって放熱および冷却される。このときヒートシンク７による大気中への放熱は、自然対流による放熱でも良いし、送風ファン等を用いた強制対流を用いてより強い放熱および冷却を行うようにしても良い、
In the laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the laser light emitted from each light emitting point of the laser array light source 1 is collimated by individually passing through each microlens of the microlens array 2, and is condensed as a substantially parallel light beam. The light enters the lens 3. The laser light condensed by the condenser lens 3 is incident on one end surface of the optical fiber 4. The other end of the optical fiber 4 is connected to an external laser-using device, such as a laser processing machine or an ignition plug for an engine using a laser, and the laser light incident on one end of the optical fiber 4 is an optical fiber. 4 is used by being guided to an external laser using device such as a laser processing machine or an engine spark plug. Optical elements such as the laser array light source 1, the microlens array 2, and the condenser lens 3 described above are arranged in a space sealed by the heat diffusion plate 6, the housing 8, the holding member 9, and the like.
Further, since the surface emitting semiconductor laser array substrate 20 forming the laser array light source 1 generates high heat with high-density laser light emission, an active cooling means is required. Therefore, the heat generated by the laser array light source 1 is radiated and cooled by the heat sink 7 attached to the back surface of the heat diffusion plate 6 via the mount 5 and the heat diffusion plate 6. At this time, heat radiation to the atmosphere by the heat sink 7 may be heat radiation by natural convection, or stronger heat radiation and cooling may be performed using forced convection using a blower fan or the like.
上述したように、図１および図２に示すレーザー装置は、レーザーアレイ光源１から射出された光束をマイクロレンズアレイ２によってコリメートし、集光レンズ３によって集光して光ファイバ４に入射させる。レーザーアレイ光源１から光ファイバ４に至る各光学要素は、熱拡散板６およびハウジング８等によって密封されて一体的に保持されている。レーザーアレイ光源１には、放熱のための熱拡散板６およびヒートシンク７が取り付けられている。
上述した図１および図２に示すこの実施の形態に係るレーザー装置における具体的な構成についてさらに詳細に説明する。
図３は、図１および図２のレーザー装置における面発光型半導体レーザーアレイ基板からなる面発光型半導体レーザーアレイ光源、すなわち図１および図２に示すレーザーアレイ光源１を構成する垂直共振器面発光レーザーによる発光点の平面的な配置分布を模式的に示している。
この実施の形態に係るレーザー装置におけるレーザーアレイ光源１は、面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ基板２０上に形成された垂直共振器面発光レーザーの発光点である多数の主発光点２１およびこの場合４個の副発光点２２ａ〜２２ｄにより構成している。
As described above, the laser apparatus shown in FIGS. 1 and 2 collimates the light beam emitted from the laser array light source 1 by the microlens array 2, condenses it by the condensing lens 3, and enters the optical fiber 4. The optical elements from the laser array light source 1 to the optical fiber 4 are sealed and integrally held by a heat diffusion plate 6 and a housing 8. The laser array light source 1 is provided with a heat diffusion plate 6 and a heat sink 7 for heat radiation.
The specific configuration of the laser apparatus according to this embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described in more detail.
3 shows a surface emitting semiconductor laser array light source comprising a surface emitting semiconductor laser array substrate in the laser apparatus of FIGS. 1 and 2, ie, vertical cavity surface light emission constituting the laser array light source 1 shown in FIGS. The planar arrangement distribution of the light emission points by a laser is typically shown.
The laser array light source 1 in the laser apparatus according to this embodiment includes a number of main light emitting points 21 which are light emitting points of a vertical cavity surface emitting laser formed on a laser array substrate 20 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate. In this case, four sub-light emitting points 22a to 22d are used.
例えば、多数の主発光点２１は、各々９μｍの直径（Ａ１）を有しており、これら多数の主発光点２１は、直径（Ａ３）が８．９ｍｍの円形状の主発光領域ＭＥ内に、４８μｍの間隔（Ａ２）で等間隔に配列されている。面発光レーザーは、端面発光レーザーと比較して、集積化が容易であるため、多数の発光点を集積することによって高い光量、つまり高出力なレーザー光を得ることができる。この実施の形態においては、φ８．９ｍｍなる直径（Ａ３）の主発光領域ＭＥ内に約３３，６００個の主発光点２１が等間隔（間隔Ａ２＝４８μｍ）で配列されている。
主発光点２１が多数配列された主発光領域ＭＥの外側に、この場合４個の副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを配設している。全ての主発光点２１は一律（全てオンまたは全てオフ）に点灯制御される。これに対して調整用の副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、主発光点とは独立に点灯制御可能として構成され、調整時に、主発光点２１を全て消灯した状態で、副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのみを点灯させることができる（請求項１に対応する）。
この第１の実施の形態における副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄについて、光軸方向の座標をＺとした場合の各副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのＸ座標、Ｙ座標等の諸元を次表に示している。
For example, the multiple main light emission points 21 each have a diameter (A1) of 9 μm, and these multiple main light emission points 21 are in a circular main light emission region ME having a diameter (A3) of 8.9 mm. Are arranged at equal intervals at intervals (A2) of 48 μm. Since surface emitting lasers are easier to integrate than edge emitting lasers, it is possible to obtain a high amount of light, that is, high-power laser light by accumulating a large number of light emitting points. In this embodiment, about 33,600 main light emitting points 21 are arranged at equal intervals (interval A2 = 48 μm) in the main light emitting region ME having a diameter (A3) of φ8.9 mm.
In this case, four sub-light emitting points 22a, 22b, 22c and 22d are arranged outside the main light-emitting area ME in which a large number of main light-emitting points 21 are arranged. All the main light emission points 21 are controlled to be lighted uniformly (all on or all off). On the other hand, the auxiliary light emitting points 22a, 22b, 22c, and 22d for adjustment are configured so that the lighting can be controlled independently of the main light emitting points. Only 22a, 22b, 22c, and 22d can be lit (corresponding to claim 1).
Regarding the sub light emission points 22a, 22b, 22c, and 22d in the first embodiment, the X coordinate, the Y coordinate, etc. of each of the sub light emission points 22a, 22b, 22c, and 22d when the coordinate in the optical axis direction is Z. The specifications are shown in the following table.
副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、互いに８．８３２ｍｍの間隔（Ａ５）をもって主発光領域ＭＥの四方にそれぞれ配置されている。このような位置に配置する利点が３つある。
第１の利点は、副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを主発光領域ＭＥから離間して配置することにより、副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの配線レイアウトの自由度を確保することができることである。
第２の利点は、８．８３２ｍｍという相互間の間隔（Ａ５）は、主発光点２１の配列のピッチである０．０４８ｍｍの倍数であり、このような位置に配置することによって、対応して配置されるマイクロレンズアレイ２を副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄについても共通に扱うことができることである。
第３の利点は、副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの位置座標間隔を主発光領域ＭＥの直径（Ａ３）よりも小さくすることによって、レーザーアレイ基板２０の基板サイズを大きくすることなく副発光点２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを設けることができることである（請求項２〜請求項６に対応する）。
The sub light emission points 22a, 22b, 22c, and 22d are respectively arranged on the four sides of the main light emission region ME with an interval (A5) of 8.832 mm. There are three advantages of arranging in such a position.
The first advantage is to secure the degree of freedom of the wiring layout of the sub light emitting points 22a, 22b, 22c, 22d by arranging the sub light emitting points 22a, 22b, 22c, 22d apart from the main light emitting region ME. It is possible to do.
The second advantage is that the distance (A5) between 8.832 mm is a multiple of 0.048 mm, which is the pitch of the arrangement of the main light emitting points 21. The arranged microlens array 2 can be handled in common with respect to the sub-light emitting points 22a, 22b, 22c, and 22d.
A third advantage is that by making the position coordinate interval of the sub light emitting points 22a, 22b, 22c, and 22d smaller than the diameter (A3) of the main light emitting region ME, the sub size of the laser array substrate 20 is not increased. The light emitting points 22a, 22b, 22c, and 22d can be provided (corresponding to claims 2 to 6).
図４は、図１および図２のレーザー装置のレーザーアレイ光源１の発光点からマイクロレンズアレイ２に至る部分の詳細な構成を模式的に拡大して示している。
複数の主発光点２１から射出されたレーザー光は、各主発光点２１にそれぞれ対応するマイクロレンズ面を有するマイクロレンズアレイ２によって、コリメートされる。マイクロレンズアレイ２は、合成石英により、焦点距離ｆ＝０．１ｍｍに形成されている。各主発光点２１は、それぞれφ９μｍなる直径、すなわち酸化狭窄径（Ａ１）の面積をもつため、コリメート後のレーザー光線は、完全には平行光束とはならずに、緩やかな発散光束となる。
図５は、図１および図２のレーザー装置のレーザーアレイ光源１を構成するレーザーアレイ基板２０に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け構成の断面を模式的に示している。
FIG. 4 schematically shows a detailed configuration of a portion from the light emitting point of the laser array light source 1 to the microlens array 2 in the laser apparatus of FIGS. 1 and 2.
Laser light emitted from the plurality of main light emission points 21 is collimated by the microlens array 2 having a microlens surface corresponding to each main light emission point 21. The microlens array 2 is formed of synthetic quartz with a focal length f = 0.1 mm. Since each main light emitting point 21 has a diameter of φ9 μm, that is, an area of oxidized constriction diameter (A1), the laser beam after collimation is not a completely parallel light beam but a gentle divergent light beam.
FIG. 5 schematically shows a cross-section of the mounting configuration of the microlens array 2 to the laser array substrate 20 constituting the laser array light source 1 of the laser apparatus of FIGS. 1 and 2.
図５は、光軸方向をＺ軸座標とした場合のレーザーアレイ基板２０に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け状態のＹＺ断面を示している。レーザーアレイ基板２０とマイクロレンズアレイ２とは、各発光点のＸＹ座標と各マイクロレンズ面の頂点（中心）のＸＹ座標とが一致するように位置決めし、それぞれの有効範囲外にて接着して取り付ける。接着剤ＡＢとしては、一般的に用いられる紫外線硬化樹脂であってもよいし、ハンダ等による接着としてもよい。接着剤ＡＢを樹脂とした場合には、レーザーアレイ基板２０の熱をマイクロレンズアレイ２に伝えにくくするという効果も得られる。また、接着剤ＡＢとしてハンダを用いた場合には、樹脂よりも線膨張係数が小さいため、発光による発熱があってもレーザーアレイ基板２０とマイクロレンズアレイ２の間隔が変動しにくいという効果も期待することができる。
レーザーアレイ基板２０に対するマイクロレンズアレイ２の位置決め調整は、本発明の特徴であり、この調整については、後に詳述する。
図６は、図１および図２のレーザー装置のレーザーアレイ光源１のレーザーアレイ基板２０に対するマイクロレンズアレイ２の接着による取り付け構成を模式的に示している。
FIG. 5 shows a YZ cross section of the microlens array 2 attached to the laser array substrate 20 when the optical axis direction is the Z-axis coordinate. The laser array substrate 20 and the microlens array 2 are positioned so that the XY coordinates of each light emitting point coincide with the XY coordinates of the apex (center) of each microlens surface, and are adhered outside their effective ranges. Install. The adhesive AB may be a commonly used ultraviolet curable resin, or may be bonded with solder or the like. When the adhesive AB is made of resin, an effect of making it difficult to transfer the heat of the laser array substrate 20 to the microlens array 2 can be obtained. Further, when solder is used as the adhesive AB, the linear expansion coefficient is smaller than that of the resin, so that the effect that the interval between the laser array substrate 20 and the microlens array 2 is not easily changed even when heat is generated by light emission is expected. can do.
Positioning adjustment of the microlens array 2 with respect to the laser array substrate 20 is a feature of the present invention, and this adjustment will be described in detail later.
FIG. 6 schematically shows a mounting configuration of the microlens array 2 attached to the laser array substrate 20 of the laser array light source 1 of the laser apparatus of FIGS. 1 and 2.
図６は、光軸方向をＺ軸座標とした場合のレーザーアレイ基板２０に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け状態のＸＹ断面を透視的に示している。図６に示すように、マイクロレンズアレイ２は、主発光領域ＭＥの中心に対して垂直方向および水平方向にそれぞれ対称な４箇所に配置した接着剤ＡＢによりレーザーアレイ基板２０に接着して取り付けている。温度変動時の接着剤ＡＢの膨張／収縮の影響を低減するために、図６のように主発光領域ＭＥの中心に対して対称に接着剤を配置することが望ましい。あるいは、接着剤ＡＢを全周にわたって配設して接着することによって、マイクロレンズアレイ２によりレーザーアレイ基板２０の全面を封止するようにしてもよい。ここでは、レーザーアレイ基板２０とマイクロレンズアレイ２を接着剤ＡＢによって直接接着して取り付けて一体的に実装するようにしているが、レーザーアレイ基板２０とマイクロレンズアレイ２の必要とされる間隔によっては、中間的な部材を介在させて接着するなどして取り付けるようにしてもよい。
図７は、図１および図２のレーザー装置の光学系の縦断面の構成を模式的に示している。
FIG. 6 is a perspective view of the XY cross section of the microlens array 2 attached to the laser array substrate 20 when the optical axis direction is the Z-axis coordinate. As shown in FIG. 6, the microlens array 2 is attached to the laser array substrate 20 by adhesives AB arranged at four positions symmetrical in the vertical and horizontal directions with respect to the center of the main light emitting region ME. Yes. In order to reduce the influence of expansion / contraction of the adhesive AB at the time of temperature fluctuation, it is desirable to arrange the adhesive symmetrically with respect to the center of the main light emitting region ME as shown in FIG. Alternatively, the entire surface of the laser array substrate 20 may be sealed by the microlens array 2 by disposing and bonding the adhesive AB over the entire circumference. Here, the laser array substrate 20 and the microlens array 2 are directly bonded and attached by an adhesive AB so as to be integrally mounted. However, depending on the required distance between the laser array substrate 20 and the microlens array 2. May be attached by interposing an intermediate member.
FIG. 7 schematically shows the configuration of the longitudinal section of the optical system of the laser apparatus of FIGS. 1 and 2.
レーザーアレイ光源１のレーザーアレイ基板２０の直径（Ａ３）の主発光領域ＭＥ（内の多数の主発光点２１）からは多数の光線（レーザー光）が射出されるが、図７においては、理解を容易にするために、主発光領域ＭＥの中心に位置する主発光点２１から射出される光線と、主発光領域ＭＥの最外周に位置する２つの主発光点２１から射出される光線のみを示している。レーザーアレイ基板２０の主発光領域ＭＥからマイクロレンズアレイ２によってコリメートされて射出される緩やかな平行光束のレーザー光は、集光レンズ３によって集光され、光ファイバ４の一端のコア、つまり入力面に入射する。集光レンズ３は、例えばガラスモールド非球面レンズであり、光ファイバ４のコアの直径（Ａ４）はφ１．５ｍｍである。
この種のレーザー装置は、なるべく高い光量、すなわちなるべく高出力なレーザー光をできるだけ小さいコア径の光ファイバに集光することが求められている。そのため、光学系としては、光源からの光束をできるだけ小さく集光することが求められる。
A number of light beams (laser lights) are emitted from the main light emission region ME (a number of main light emission points 21 in the diameter (A3)) of the laser array substrate 20 of the laser array light source 1, but in FIG. In order to facilitate the above, only the light beam emitted from the main light emission point 21 located at the center of the main light emission region ME and the light beam emitted from the two main light emission points 21 located at the outermost periphery of the main light emission region ME are used. Show. The laser beam of a gentle parallel light beam collimated and emitted from the main light emitting area ME of the laser array substrate 20 by the microlens array 2 is condensed by the condenser lens 3 and is a core at one end of the optical fiber 4, that is, the input surface. Is incident on. The condenser lens 3 is, for example, a glass mold aspheric lens, and the diameter (A4) of the core of the optical fiber 4 is φ1.5 mm.
This type of laser apparatus is required to focus laser light with as high a light amount as possible, that is, as high a power as possible, onto an optical fiber having a core diameter as small as possible. Therefore, the optical system is required to collect the light beam from the light source as small as possible.
図８は、図１および図２のレーザー装置に用いられる光ファイバの原理的構成を模式的に示している。
光ファイバ４は、コア４１とクラッド４２との間の屈折率の相違による全反射によって光を伝送するため、全反射がおこるような入射角で光を入射させる必要がある。すなわち、取り込める入射角を規定するファイバＮＡ（numerical aperture〜開口数）が決まっているため、光ファイバ４への光線入射角の中で最も大きな角度がファイバＮＡで決められる角度よりも小さい角度となるようにして光を入射させなければならない。図１および図２のレーザー装置における光ファイバ４は、例えばファイバＮＡが、０．３９であり、取り込める角度（最大入射角（ｄｅｇ））が±２２．９°である。すなわち、光線の最大入射角が２２．９°を超えると、光ファイバ４への入射効率が低下してしまうため、光線の最大入射角が２２．９°以下になるように光学系を最適配置している。
FIG. 8 schematically shows the basic configuration of the optical fiber used in the laser apparatus of FIGS. 1 and 2.
Since the optical fiber 4 transmits light by total reflection due to the difference in refractive index between the core 41 and the clad 42, it is necessary to make the light incident at an incident angle at which total reflection occurs. That is, since the fiber NA (numerical aperture) that defines the incident angle that can be taken in is determined, the largest light incident angle to the optical fiber 4 is smaller than the angle determined by the fiber NA. Thus, light must be incident. The optical fiber 4 in the laser apparatus of FIGS. 1 and 2 has, for example, a fiber NA of 0.39, and an angle (maximum incident angle (deg)) that can be taken in is ± 22.9 °. That is, if the maximum incident angle of the light beam exceeds 22.9 °, the incident efficiency to the optical fiber 4 is lowered. Therefore, the optical system is optimally arranged so that the maximum incident angle of the light beam is 22.9 ° or less. doing.
上述した構成のレーザー装置における主発光点２１の直径Ａ１（μｍ）、主発光点２１の間隔Ａ２（μｍ）、主発光領域ＭＥの直径Ａ３（ｍｍ）、光ファイバ４のコア４１の直径Ａ４（ｍｍ）、副発光点２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの間隔Ａ５（ｍｍ）、レーザーアレイ光源１とマイクロレンズアレイ２の間隔ｄ１（ｍｍ）、マイクロレンズアレイ２の厚さｄ２（ｍｍ）、マイクロレンズアレイ２と集光レンズ３の間隔ｄ３（ｍｍ）、集光レンズ３の厚さｄ４（ｍｍ）、集光レンズ３と光ファイバ４の入力面との間隔ｄ５（ｍｍ）、光ファイバ４への最大入射角（ｄｅｇ）、集光レンズ３の屈折率、集光レンズ３の焦点距離（ｍｍ）、主発光点２１の放射角（ｄｅｇ）等の光学系諸元は、次表に示す通りである。 In the laser apparatus configured as described above, the diameter A1 (μm) of the main light emitting point 21, the interval A2 (μm) of the main light emitting point 21, the diameter A3 (mm) of the main light emitting region ME, and the diameter A4 of the core 41 of the optical fiber 4 ( mm), the distance A5 (mm) between the sub-light emitting points 22a, 22b, 22c and 22d, the distance d1 (mm) between the laser array light source 1 and the microlens array 2, the thickness d2 (mm) of the microlens array 2, and the microlens The distance d3 (mm) between the array 2 and the condenser lens 3, the thickness d4 (mm) of the condenser lens 3, the distance d5 (mm) between the condenser lens 3 and the input surface of the optical fiber 4, and the distance to the optical fiber 4 Optical system specifications such as the maximum incident angle (deg), the refractive index of the condenser lens 3, the focal length (mm) of the condenser lens 3, and the radiation angle (deg) of the main light emitting point 21 are as shown in the following table. is there.
上述した実施の形態における光学系の全系の光学系倍率は153倍である。光ファイバ４上のビームスポットの径は、主発光点２１の直径Ａ１と倍率の積で概略的に求めることができる。この実施の形態のレーザー装置においては、φ９μｍ×１５３＝１．３８ｍｍに比べて、光ファイバ４のコア径Ａ４は１．５０ｍｍと大きくなっている。このような余裕のあるコア径の光ファイバ４を使用することによって、高い光利用効率（光ファイバの入射光量／レーザーアレイ光源の光量）を得ることができる。
図９は、図１および図２のレーザー装置における面発光型半導体レーザーアレイ基板からなる面発光型半導体レーザーアレイ光源、すなわち図１および図２に示すレーザーアレイ光源１を構成する垂直共振器面発光レーザーによる発光点の平面的な配置分布の図３とは異なる例を模式的に示している。
この場合のレーザー装置におけるレーザーアレイ光源１′は、面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ基板２０′上に形成された垂直共振器面発光レーザーの発光点である多数の主発光点２１およびこの場合４個の副発光点２２ｅ〜２２ｈにより構成される。
The optical system magnification of the entire optical system in the above-described embodiment is 153 times. The diameter of the beam spot on the optical fiber 4 can be roughly determined by the product of the diameter A1 of the main light emitting point 21 and the magnification. In the laser apparatus of this embodiment, the core diameter A4 of the optical fiber 4 is as large as 1.50 mm, compared to φ9 μm × 153 = 1.38 mm. By using the optical fiber 4 with such a generous core diameter, high light utilization efficiency (the incident light amount of the optical fiber / the light amount of the laser array light source) can be obtained.
FIG. 9 shows a surface emitting semiconductor laser array light source comprising a surface emitting semiconductor laser array substrate in the laser apparatus of FIGS. 1 and 2, that is, vertical cavity surface light emission constituting the laser array light source 1 shown in FIGS. The example different from FIG. 3 of the planar arrangement | positioning distribution of the light emission point by a laser is shown typically.
The laser array light source 1 ′ in the laser apparatus in this case includes a number of main light emitting points 21 which are light emitting points of a vertical cavity surface emitting laser formed on a laser array substrate 20 ′ which is a surface emitting semiconductor laser array substrate. In this case, it is constituted by four sub-light emitting points 22e to 22h.
主発光点２１については、上述した図３の場合と同様であり、例えば、多数の主発光点２１は、各々９μｍの直径（Ａ１）を有しており、これら多数の主発光点２１は、直径（Ａ３）が８．９ｍｍの円形状の主発光領域ＭＥ内に、４８μｍの間隔（Ａ２）で等間隔に配列されている。面発光レーザーは、端面発光レーザーと比較して、集積化が容易であるため、多数の発光点を集積することによって高い光量、つまり高出力なレーザー光を得ることができる。この第１の実施の形態においては、φ８．９ｍｍなる直径（Ａ３）の主発光領域ＭＥ内に約３３，６００個の主発光点２１が等間隔（間隔Ａ２＝４８μｍ）で配列されている。
主発光点２１が多数配列された主発光領域ＭＥの外側に、この場合４個の副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈを配設している。副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈは、図３における副発光点２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを主発光領域ＭＥの中心を軸としてＸＹ平面上で４５°回転させた位置に配置している。
この場合、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈについて、光軸方向の座標をＺとした場合の各副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのＸ座標、Ｙ座標等の諸元を次表に示している。
The main light emission points 21 are the same as those in the case of FIG. 3 described above. For example, a large number of main light emission points 21 each have a diameter (A1) of 9 μm. The circular main light emitting areas ME having a diameter (A3) of 8.9 mm are arranged at equal intervals of 48 μm (A2). Since surface emitting lasers are easier to integrate than edge emitting lasers, it is possible to obtain a high amount of light, that is, high-power laser light by accumulating a large number of light emitting points. In the first embodiment, about 33,600 main light emitting points 21 are arranged at equal intervals (interval A2 = 48 μm) in a main light emitting region ME having a diameter (A3) of φ8.9 mm.
In this case, four sub light emission points 22e, 22f, 22g, and 22h are arranged outside the main light emission region ME in which a large number of main light emission points 21 are arranged. The sub light emission points 22e, 22f, 22g, and 22h are arranged at positions obtained by rotating the sub light emission points 22a, 22b, 22c, and 22d in FIG. 3 by 45 ° on the XY plane with the center of the main light emission region ME as an axis. .
In this case, with respect to the sub light emission points 22e, 22f, 22g, and 22h, specifications such as the X coordinate and the Y coordinate of each of the sub light emission points 22e, 22f, 22g, and 22h when the coordinate in the optical axis direction is Z are shown in the following table. It shows.
このような配置とすることによって、後述するように、調整時のビームプロファイルにおいてＸ成分とＹ成分に分離しやすい。また、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈは、主発光点２１から離れて配置されているが、４８μｍピッチの倍数で配置されている（４．５６／０．０４８＝９５）。このような構成とすることで、マイクロレンズアレイ２は、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのためにレンズピッチを変えることなく有効範囲を広げるだけで対応することができる。この例においては、マイクロレンズアレイ２は、４８μｍピッチで等間隔に配列されており、有効領域は、φ９．２ｍｍであって、φ８．９ｍｍの主発光領域ＭＥおよび副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈを含むことができる。
全ての主発光点２１は、一律（全てオンまたは全てオフ）に点灯制御される。これに対して調整用の副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈは、主発光点とは独立に点灯制御可能として構成され、調整時に、主発光点２１を全て消灯した状態で、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのみを点灯させることができる。
Such an arrangement facilitates separation into an X component and a Y component in the beam profile at the time of adjustment, as will be described later. The sub light emission points 22e, 22f, 22g, and 22h are arranged away from the main light emission point 21, but are arranged in multiples of a 48 μm pitch (4.56 / 0.048 = 95). By adopting such a configuration, the microlens array 2 can cope with the auxiliary light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h only by expanding the effective range without changing the lens pitch. In this example, the microlens array 2 is arranged at equal intervals with a pitch of 48 μm, the effective area is φ9.2 mm, and the main light emitting area ME and the sub light emitting points 22e, 22f, and 22g of φ8.9 mm. , 22h.
All the main light emission points 21 are controlled to be lighted uniformly (all on or all off). On the other hand, the auxiliary light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h for adjustment are configured so that the lighting can be controlled independently of the main light emitting points. Only 22e, 22f, 22g, and 22h can be lit.
次に、上述したように、主発光点２１に加えて独立に点灯制御可能な副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈを備えたこの実施の形態のレーザー装置におけるレーザーアレイ光源１′のレーザーアレイ基板２０′に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け位置調整について説明する。この点が本発明に係るレーザー装置における大きな特徴である。
図１０は、図１および図２のレーザー装置における図９の面発光型半導体レーザーアレイ光源であるレーザーアレイ光源１′のレーザーアレイ基板２０′に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け位置調整を説明するために要部の縦断面を模式的に示している。
取り付け位置調整時には、図１０に示すようにレーザーアレイ基板２０の前方にマイクロレンズアレイ２を配置した状態で、マイクロレンズアレイ２の前方に１００ｍｍ隔ててレーザービームの強度分布、すなわちビームプロファイルを検出するビームプロファイラＢＰを設置する。
取り付け位置調整に際しては、主発光領域ＭＥの主発光点２１は点灯せずに消灯状態としておき、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのみが点灯状態となるように点灯制御して、マイクロレンズアレイ２を透過した光を１００ｍｍ離れたビームプロファイラＢＰによって検出し観察する。
Next, as described above, the laser array of the laser array light source 1 ′ in the laser apparatus of this embodiment provided with the sub-light emitting points 22 e, 22 f, 22 g, and 22 h that can be controlled independently in addition to the main light emitting point 21. Adjustment of the attachment position of the microlens array 2 with respect to the substrate 20 'will be described. This is a major feature of the laser apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining the adjustment of the mounting position of the microlens array 2 with respect to the laser array substrate 20 ′ of the laser array light source 1 ′ which is the surface emitting semiconductor laser array light source of FIG. 9 in the laser apparatus of FIGS. The longitudinal cross-section of the principal part is shown typically.
When adjusting the mounting position, the intensity distribution of the laser beam, that is, the beam profile is detected with a distance of 100 mm in front of the microlens array 2 with the microlens array 2 disposed in front of the laser array substrate 20 as shown in FIG. Install the beam profiler BP.
When adjusting the mounting position, the main light emitting point 21 of the main light emitting region ME is not turned on but is turned off, and the lighting control is performed so that only the sub light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h are turned on, and the microlens. The light transmitted through the array 2 is detected and observed by a beam profiler BP separated by 100 mm.
この場合、マイクロレンズアレイ２は、ＸＹＺαβγの６軸、すなわちＸ：Ｘ軸方向のＸ座標、Ｙ：Ｙ軸方向のＹ座標、Ｚ：Ｚ軸方向のＺ座標、α：Ｘ軸まわりの回転位置、β：Ｙ軸まわりの回転位置、γ：Ｚ軸まわりの回転位置、について調整されるが、これら６軸について、各副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのプロファイルが所定のプロファイルパターンとなるように調整する。
図１１は、レーザーアレイ基板２０′に対するマイクロレンズアレイ２の取り付け位置調整を説明するための副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈによるビームプロファイルのプロファイルパターンの例を示している。マイクロレンズアレイ２の各方向の位置ずれに対するピームプロファイラーＢＰで検出されるプロファイルパターンにおける変化は、次のようになる。
In this case, the microlens array 2 has six axes of XYZαβγ, that is, X: X coordinate in the X axis direction, Y: Y coordinate in the Y axis direction, Z: Z coordinate in the Z axis direction, α: rotational position around the X axis. , Β: rotational position around the Y axis, and γ: rotational position around the Z axis, the profiles of the sub-light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h are predetermined profile patterns for these six axes. Adjust as follows.
FIG. 11 shows an example of a profile pattern of a beam profile by sub-light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h for explaining the adjustment of the attachment position of the microlens array 2 with respect to the laser array substrate 20 ′. The change in the profile pattern detected by the beam profiler BP with respect to the positional deviation in each direction of the microlens array 2 is as follows.
ＸＹ方向：ビームプロファイル上のビーム位置ＸＹ
→ＸＹがずれるとビームスポット位置が４点全体的に移動する。
Ｚ方向：ビームプロファイル上のビーム径
→Ｚがずれるとコリメート状態が変化するため、ビームスポット径太りが発生する。
α方向（Ｘ軸まわり回転方向）、β方向（Ｙ軸まわり回転方向）：上下左右のビーム径の比
→α方向がずれると左右のビームバランスが崩れ、β方向がずれると上下のビーム径バランスが崩れる。
γ（Ｚ軸まわり回転方向）：上下左右のビーム位置関係
→γがずれると、４点のビームが回転して間隔も広がる。
図１１に示すビームプロファイルのプロファイルパターンにおいて、（ａ）は、設計値、すなわち理想状態におけるプロファイルパターン、（ｂ）は、Ｘ方向に３μｍずれた場合のプロファイルパターン、（ｃ）は、Ｙ方向に３μｍずれた場合のプロファイルパターン、（ｄ）は、Ｚ方向に１５μｍずれた場合のプロファイルパターン、（ｅ）は、α方向に０．５°ずれた場合のプロファイルパターン、（ｆ）は、β方向に０．５°ずれた場合のプロファイルパターン、そして（ｇ）は、γ方向に０．１°ずれた場合のプロファイルパターンである。
XY direction: beam position XY on the beam profile
→ When XY shifts, the beam spot position moves as a whole.
Z direction: Beam diameter on the beam profile → Because the collimated state changes when Z shifts, the beam spot diameter increases.
α direction (Rotation direction around X axis), β direction (Rotation direction around Y axis): Ratio of vertical and horizontal beam diameters → If the α direction shifts, the left and right beam balance collapses, and if the β direction shifts, the vertical beam diameter balance Collapses.
γ (Rotation direction around the Z axis): Vertical / left / right beam positional relationship → When γ shifts, the four beams rotate and the interval increases.
In the profile pattern of the beam profile shown in FIG. 11, (a) is a design value, that is, a profile pattern in an ideal state, (b) is a profile pattern when shifted by 3 μm in the X direction, and (c) is in the Y direction. Profile pattern when shifted by 3 μm, (d) is profile pattern when shifted by 15 μm in the Z direction, (e) is profile pattern when shifted by 0.5 ° in the α direction, and (f) is in the β direction And (g) is a profile pattern when shifted by 0.1 ° in the γ direction.
上述したように、副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのみを点灯させた状態のビームプロファイルのプロファイルパターンを観察することによって、数μmレベルの誤差も高感度で検出することができる。副発光点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈのビーム径および位置に規格を設定しておき、規格内に入った位置状態でマイクロレンズアレイ２を接着固定するようにすれば、マイクロレンズアレイ２をレーザーアレイ基板２０′に対して高精度に実装することができる。この場合の接着固定の手段は、紫外線硬化樹脂による接着であってもよいし、ハンダ溶着であってもよい。
次に、本発明の第２の実施の形態に係るレーザー装置の要部の構成について、図１２および図１３を参照して説明する。図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザー装置の外観構成を示しており、そして図１３は、図１２のレーザー装置の縦断面の構成を模式的に示している。図１２および図１３において、図１および図２と実質的に同様の部分には同符号を付して示している。
As described above, by observing the profile pattern of the beam profile in a state where only the sub-light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h are lit, an error of several μm level can be detected with high sensitivity. If a standard is set for the beam diameters and positions of the sub-light emitting points 22e, 22f, 22g, and 22h, and the microlens array 2 is bonded and fixed in a position that falls within the standard, the microlens array 2 is laser-bonded. It can be mounted on the array substrate 20 'with high accuracy. In this case, the adhesion fixing means may be adhesion by an ultraviolet curable resin or solder welding.
Next, the structure of the main part of the laser apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 shows the external configuration of the laser apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 13 schematically shows the configuration of the longitudinal section of the laser apparatus of FIG. 12 and FIG. 13, parts substantially the same as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
図１２および図１３に示すレーザー装置としてのレーザーモジュールは、レーザーアレイ光源１、マイクロレンズアレイ２、集光レンズ３、光ファイバ４、マウント５、熱拡散板６、ヒートシンク７、ハウジング８、保持部材９、リード線１０およびペルチェ素子５１を具備している。
図１２および図１３に示すレーザー装置は、面発光型半導体レーザーアレイを用いたレーザーモジュールである。レーザーアレイ光源１は、面発光型半導体レーザーによる発光点が多数集積された面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ基板２０により構成している。レーザーアレイ光源１の前方には、レーザーアレイ光源１の各発光点に対応する位置にそれぞれマイクロレンズを形成してなるマイクロレンズアレイ２を配置している。
A laser module as a laser device shown in FIGS. 12 and 13 includes a laser array light source 1, a microlens array 2, a condenser lens 3, an optical fiber 4, a mount 5, a heat diffusing plate 6, a heat sink 7, a housing 8, and a holding member. 9, lead wire 10 and Peltier element 51 are provided.
The laser apparatus shown in FIGS. 12 and 13 is a laser module using a surface emitting semiconductor laser array. The laser array light source 1 is constituted by a laser array substrate 20 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate in which a large number of light emitting points by a surface emitting semiconductor laser are integrated. In front of the laser array light source 1, a microlens array 2 formed by forming microlenses at positions corresponding to the respective emission points of the laser array light source 1 is arranged.
マイクロレンズアレイ２は、コリメータとして機能し、レーザーアレイ光源１の各発光点からのレーザー光をコリメートして緩い発散光束、すなわちほぼ平行光束とする。集光レンズ３は、マイクロレンズアレイ２から射出されるほぼ平行光束を集光して、光ファイバ４に入射させる。
面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ光源１のレーザーアレイ基板２０は、マウント５を介して台座として銅等の熱伝導性の高い材料で形成された熱拡散板６の一方の面上に取着されており、熱拡散板６の他方の面には、ペルチェ素子５１が、吸熱面を当接して取着されている。ペルチェ素子５１の放熱面には、ヒートシンク７が取り付けられている。これら熱拡散板６、ペルチェ素子５１およびヒートシンク７は、発熱するレーザーアレイ光源１（レーザーアレイ基板２０）を放熱し冷却するために設けられている。
The microlens array 2 functions as a collimator, and collimates the laser light from each light emitting point of the laser array light source 1 into a loose divergent light beam, that is, a substantially parallel light beam. The condensing lens 3 condenses a substantially parallel light beam emitted from the microlens array 2 and makes it incident on the optical fiber 4.
The laser array substrate 20 of the laser array light source 1 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate is mounted on one surface of a heat diffusion plate 6 formed of a material having high thermal conductivity such as copper as a pedestal via a mount 5. The Peltier element 51 is attached to the other surface of the heat diffusing plate 6 with the endothermic surface in contact therewith. A heat sink 7 is attached to the heat dissipation surface of the Peltier element 51. The thermal diffusion plate 6, the Peltier element 51, and the heat sink 7 are provided to radiate and cool the laser array light source 1 (laser array substrate 20) that generates heat.
ハウジング８は、熱拡散板６上のレーザーアレイ光源１からマイクロレンズアレイ２および集光レンズ３を介して光ファイバ４に至る光学系を覆って設けられる。集光レンズ３は、ハウジング８に取着され、ハウジング８内のマイクロレンズアレイ２から、光ファイバ４の端面に至る光路に配置される。ハウジング８への光ファイバ４の接続部には保持部材９を設けて、接続部を密封し且つ光ファイバ４を保持している。また、レーザーアレイ光源１部分に対して外部との間で電気的に接続を行うリード線１０は、ハウジング８の側壁を貫通して配設され、この貫通部分も適宜密封されている。すなわち、熱拡散板６とハウジング８は、密に結合されて、光ファイバ４の保持部材９およびハウジング８のリード線１０の貫通部と共に、レーザーアレイ光源１からマイクロレンズアレイ２および集光レンズ３を介して光ファイバ４に至る光学系部分を密閉し且つ保護している。 The housing 8 is provided so as to cover the optical system from the laser array light source 1 on the heat diffusion plate 6 to the optical fiber 4 through the microlens array 2 and the condenser lens 3. The condenser lens 3 is attached to the housing 8, and is disposed on the optical path from the microlens array 2 in the housing 8 to the end face of the optical fiber 4. A holding member 9 is provided at the connection portion of the optical fiber 4 to the housing 8 to seal the connection portion and hold the optical fiber 4. Further, the lead wire 10 that is electrically connected to the outside with respect to the laser array light source 1 portion is disposed through the side wall of the housing 8, and this through portion is also appropriately sealed. That is, the heat diffusing plate 6 and the housing 8 are tightly coupled, and together with the holding member 9 of the optical fiber 4 and the through portion of the lead wire 10 of the housing 8, the laser array light source 1 to the microlens array 2 and the condenser lens 3. The optical system part that reaches the optical fiber 4 via is sealed and protected.
図１２および図１３に示すレーザー装置において、レーザーアレイ光源１の各発光点から射出されたレーザー光は、マイクロレンズアレイ２の各マイクロレンズを個々に通ることによってコリメートされ、ほぼ平行光束として集光レンズ３に入射する。集光レンズ３によって集光されたレーザー光は、光ファイバ４の一端面に入射する。光ファイバ４の他端は、外部のレーザー使用機器、例えばレーザー加工機や、レーザーを利用したエンジン用の点火プラグ等に接続されており、光ファイバ４の一端に入射したレーザー光は、光ファイバ４によって、これらレーザー加工機あるいはエンジン点火プラグ等のような外部のレーザー使用機器に導かれ、利用される。上述したレーザーアレイ光源１、マイクロレンズアレイ２および集光レンズ３等の光学要素は、熱拡散板６、ハウジング８および保持部材９等によって密閉された空間内に配置される。
また、レーザーアレイ光源１を形成する面発光型半導体レーザーアレイ基板であるレーザーアレイ基板２０は、高密度のレーザー発光に伴って高い発熱を生じるので、能動的な冷却手段が必要となる。
In the laser apparatus shown in FIGS. 12 and 13, the laser light emitted from each light emitting point of the laser array light source 1 is collimated by individually passing through each microlens of the microlens array 2, and is condensed as a substantially parallel light beam. The light enters the lens 3. The laser light condensed by the condenser lens 3 is incident on one end surface of the optical fiber 4. The other end of the optical fiber 4 is connected to an external laser-using device, such as a laser processing machine or an ignition plug for an engine using a laser, and the laser light incident on one end of the optical fiber 4 is an optical fiber. 4 is used by being guided to an external laser using device such as a laser processing machine or an engine spark plug. Optical elements such as the laser array light source 1, the microlens array 2, and the condenser lens 3 described above are arranged in a space sealed by the heat diffusion plate 6, the housing 8, the holding member 9, and the like.
Further, since the laser array substrate 20 which is a surface emitting semiconductor laser array substrate forming the laser array light source 1 generates high heat with high-density laser emission, an active cooling means is required.
そのためレーザーアレイ光源１（レーザーアレイ基板２０）の発熱は、マウント５および熱拡散板６を介して、熱拡散板６の背面に取着されたペルチェ素子５１の吸熱面によって冷却される。そして、レーザーアレイ光源１における発熱は、ペルチェ素子５１の放熱面に取り付けられたヒートシンク７によって、大気中に放熱される。このときヒートシンク７による大気中への放熱は、自然対流による放熱でも良いし、送風ファン等を用いた強制対流を用いてより強い放熱および冷却を行うようにしても良い。また、外気が充分に低温の場合等のように、ペルチェ素子５１が必要でない場合は、図１および図２に示した第１の実施の形態に係るレーザー装置のように、熱拡散板６を直接ヒートシンク７で冷却するようにしても良い。
次に、上述した本発明の第２の実施の形態に係るレーザー装置を用いた本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関の点火装置の要部の構成について、図１４を参照して説明する。図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関の点火装置としてのレーザー点火プラグシステムの構成を模式的に示している。
Therefore, the heat generated by the laser array light source 1 (laser array substrate 20) is cooled by the heat absorption surface of the Peltier element 51 attached to the back surface of the heat diffusion plate 6 via the mount 5 and the heat diffusion plate 6. The heat generated in the laser array light source 1 is radiated to the atmosphere by the heat sink 7 attached to the heat radiating surface of the Peltier element 51. At this time, heat radiation to the atmosphere by the heat sink 7 may be heat radiation by natural convection, or stronger heat radiation and cooling may be performed by using forced convection using a blower fan or the like. Further, when the Peltier element 51 is not necessary as in the case where the outside air is sufficiently low, the thermal diffusion plate 6 is provided as in the laser device according to the first embodiment shown in FIGS. You may make it cool with the heat sink 7 directly.
Next, with reference to FIG. 14, the structure of the main part of the ignition device for the internal combustion engine according to the third embodiment of the present invention using the laser device according to the second embodiment of the present invention described above will be described. explain. FIG. 14 schematically shows the configuration of a laser spark plug system as an ignition device for an internal combustion engine according to the third embodiment of the present invention.
図１４に示す点火装置としてのレーザー点火プラグシステムは、第２の実施の形態に係るレーザー装置に準じた構成を有するレーザー発光モジュール６０を備えている。レーザー発光モジュール６０は、図１２および図１３のレーザー装置とほぼ同様の、レーザーアレイ光源１、マイクロレンズアレイ２、集光レンズ３、光ファイバ４、熱拡散板６、ヒートシンク７、ハウジング８、保持部材９、リード線１０およびペルチェ素子５１を具備しており、レーザーアレイ光源１は、レーザーアレイ基板２０を用いて構成している。
図１４に示す点火装置としてのレーザー点火プラグシステムは、さらに、送風ファン６１、電源装置６２、点火プラグ６３およびエンジン６４を備えている。
このように構成した図１４のレーザー点火プラグシステムにおいて、ハウジング８で覆われたレーザー発光モジュール６０内のレーザーアレイ光源１のレーザーアレイ基板２０から発振射出されたレーザー光は、コリメータとしてのマイクロレンズアレイ２によってコリメートされてほぼ平行光となり、集光レンズ３で集光されて光ファイバ４の入力端面に入射する。このレーザー光は、光ファイバ４によりレーザー発光モジュール６０の外部に導かれて点火プラグ６３に入射する。
The laser spark plug system as the ignition device shown in FIG. 14 includes a laser light emitting module 60 having a configuration according to the laser device according to the second embodiment. The laser light emitting module 60 is substantially the same as the laser device of FIGS. 12 and 13, and includes a laser array light source 1, a microlens array 2, a condenser lens 3, an optical fiber 4, a heat diffusion plate 6, a heat sink 7, a housing 8, The member 9, the lead wire 10, and the Peltier element 51 are provided, and the laser array light source 1 is configured using a laser array substrate 20.
The laser spark plug system as the ignition device shown in FIG. 14 further includes a blower fan 61, a power supply device 62, a spark plug 63, and an engine 64.
In the laser spark plug system of FIG. 14 configured as described above, the laser light oscillated and emitted from the laser array substrate 20 of the laser array light source 1 in the laser light emitting module 60 covered with the housing 8 is converted into a microlens array as a collimator. 2 is collimated to become substantially parallel light, is collected by the condenser lens 3, and enters the input end face of the optical fiber 4. This laser light is guided to the outside of the laser light emitting module 60 by the optical fiber 4 and enters the ignition plug 63.
この点火プラグ６３は、Ｑスイッチ式のレーザー媒質を含むレーザー共振器を備えており、このレーザー共振器にレーザー光を照射してレーザー発振を生じさせてジャイアントパルスレーザーを発生させ、さらにこのパルスレーザー光を集光レンズ等の光学素子を用いてエンジン６４の燃焼室内に集光する。点火プラグ６３により集光されたジャイアントパルスのパルスレーザー光によってエンジン６４の燃焼室内にエアブレイクダウンを発生させて、混合気に着火させることによってエンジン６４を動作させる。
このような動作過程において、レーザーアレイ光源１を動作させることによりレーザーアレイ基板２０が発熱する。加えて、エンジン６４の周囲環境は、例えば８０℃程度の高温となる。レーザーアレイ光源１は、高温下では寿命が短くなり、また、出力も低下してしまうため、冷却・排熱手段により周囲環境温度よりも低い状態で維持しながら駆動する必要がある。そこでレーザーアレイ光源１部分には、例えば銅等の熱伝導性の良い部材で構成される熱拡散板６により充分な吸熱面積を形成させ、ペルチェ素子５１および空冷用のヒートシンク７によってレーザーアレイ光源１を周囲環境温度以下に維持するように冷却するようにする。さらに、ヒートシンク７に対して、送風ファン６１によって送風し、気流を当てることによって、強制対流熱伝達を発生させて、ヒートシンク７の放熱性を高めることができる。
The spark plug 63 includes a laser resonator including a Q-switch type laser medium. The laser resonator is irradiated with a laser beam to generate laser oscillation to generate a giant pulse laser. Light is condensed into the combustion chamber of the engine 64 using an optical element such as a condenser lens. The engine 64 is operated by causing an air breakdown in the combustion chamber of the engine 64 by the pulse laser beam of the giant pulse collected by the spark plug 63 and igniting the air-fuel mixture.
In such an operation process, the laser array substrate 20 generates heat by operating the laser array light source 1. In addition, the ambient environment of the engine 64 becomes a high temperature of about 80 ° C., for example. Since the laser array light source 1 has a short life and a low output at high temperatures, it is necessary to drive the laser array light source 1 while maintaining it at a temperature lower than the ambient temperature by the cooling / exhaust heat means. Therefore, a sufficient heat absorption area is formed in the laser array light source 1 portion by a heat diffusion plate 6 made of a member having good thermal conductivity such as copper, and the laser array light source 1 is formed by the Peltier element 51 and the heat sink 7 for air cooling. To cool below ambient temperature. Furthermore, forced convection heat transfer can be generated by blowing air from the blower fan 61 and applying an air flow to the heat sink 7, thereby improving the heat dissipation of the heat sink 7.
なお、上述した本発明の第３の実施の形態に係る点火装置は、上述した本発明の第２の実施の形態とほぼ同様の構成を有するレーザー装置を用いてレーザー発光モジュール６０を構成したが、周囲環境温度が高くなければ、先に詳述した本発明の第１の実施の形態に相当する形態のレーザー装置、すなわちペルチェ素子５１を用いないで熱拡散板６にヒートシンク７を直結した形態のレーザー装置を用いてレーザー発光モジュール６０を構成しても良い。また、上述した本発明の第３の実施の形態では、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン６４、すなわちピストンエンジンを用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジン、あるいはジェットエンジンを用いる場合にも本発明を適用することができる。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば、どのような内燃機関にも本発明を実施することができる。
以上のような実施の形態および具体的な実施例によって、詳しく説明した本発明に係るレーザー装置、点火装置およびレーザー装置の調整方法の特徴とするところを、以下にまとめて説明する。
In the ignition device according to the third embodiment of the present invention described above, the laser light emitting module 60 is configured using a laser device having substantially the same configuration as that of the above-described second embodiment of the present invention. If the ambient temperature is not high, the laser device in the form corresponding to the first embodiment of the present invention described in detail above, that is, the form in which the heat sink 7 is directly connected to the heat diffusion plate 6 without using the Peltier element 51 The laser light emitting module 60 may be configured using the above laser apparatus. Further, in the above-described third embodiment of the present invention, the case where the engine 64 that moves the piston by the combustion gas, that is, the piston engine is used as the internal combustion engine has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied when a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine is used. In short, the present invention can be implemented in any internal combustion engine that burns fuel and generates combustion gas.
The features of the laser device, the ignition device, and the adjustment method of the laser device according to the present invention described in detail according to the above-described embodiment and specific examples will be collectively described below.
本発明に係るレーザー装置は、所定領域に分布配列される複数の主発光点と前記所定領域に関連して配置される複数の副発光点とからなる面発光型の発光点が２次元的に配列されてなる面発光型レーザーアレイ基板と、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成とし、且つ
前記レンズアレイを前記面発光型レーザーアレイ基板に対応する位置に調整保持してなることを特徴としている（請求項１に対応する）。
このような構成により、主発光点とは独立に点灯制御される調整用の副発光点からのレーザービームを検知観察して、面発光型半導体レーザーアレイに対するマイクロレンズアレイの位置ずれを高精度に検知し且つ調整して、マイクロレンズアレイを高精度に実装することができる。
In the laser apparatus according to the present invention, a surface-emitting type light emitting point composed of a plurality of main light emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub light emitting points arranged in association with the predetermined area is two-dimensionally arranged. An array of surface-emitting laser array substrates,
A lens array in which a lens surface is formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface emitting laser array substrate;
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
The sub-light emitting point is controlled to be turned on independently of the main light emitting point, and the lens array is adjusted and held at a position corresponding to the surface emitting laser array substrate. Corresponding to).
With this configuration, the laser beam from the adjustment sub-emission point, which is controlled to be turned on independently of the main emission point, is detected and observed, and the positional deviation of the microlens array with respect to the surface-emitting type semiconductor laser array is highly accurate. By detecting and adjusting, the microlens array can be mounted with high accuracy.
また、前記主発光点は、互いに等しい間隔Ａ（μm）で分布配列され、
前記副発光点は、最も近傍の主発光点に対して前記間隔Ａ（μm）よりも離れて配置され、
且つこれら複数の副発光点の相互間隔および前記主発光点の少なくとも１点からの間隔は、前記間隔Ａ（μm）の整数倍であることが望ましい（請求項２に対応する）。
このような構成とすることにより、副発光点への配線の取り回し性の向上が可能となり、また、主発光点のピッチの倍数分で離して配置することで、主発光点のピッチで作られたマイクロレンズアレイを使用が可能となる。
また、前記レンズアレイのそれぞれのレンズ面は、前記間隔Ａ（μm）の等ピッチで分布配列され、前記主発光点および前記副発光点の両方を含む範囲について有効であることが望ましい（請求項３に対応する）。
このように構成とすることにより、副発光点用にマイクロレンズアレイの配列を変える必要がなく、低コスト化につながる。
The main light emitting points are distributed and arranged at equal intervals A (μm),
The sub-light emission point is arranged away from the nearest main light emission point than the interval A (μm),
In addition, it is desirable that the interval between the plurality of sub-light emitting points and the distance from at least one of the main light emitting points is an integral multiple of the distance A (μm) (corresponding to claim 2).
With such a configuration, it becomes possible to improve the routing of the wiring to the sub-light emitting point, and it is made at a pitch of the main light emitting point by disposing it at a multiple of the pitch of the main light emitting point. A microlens array can be used.
In addition, it is desirable that each lens surface of the lens array is distributed and arranged at an equal pitch of the interval A (μm) and is effective for a range including both the main light emission point and the sub light emission point. 3).
By adopting such a configuration, it is not necessary to change the arrangement of the microlens array for the sub-light emitting point, leading to cost reduction.
また、前記副発光点は、前記主発光点が分布配列される前記所定領域の外側に３点以上設けるようにしてもよい（請求項４に対応する）。
このように、３点以上副発光点をもつことで、マイクロレンズアレイを６軸調整することができる。１点の場合、ＸＹＺ方向は調整することができるが、各軸まわりのαβγ方向は調整することができない。６軸調整するには最低でも３点必要で、α成分とβ成分の切り分けをするには４点配置とすることが望ましい。
また、前記主発光点は、ほぼ円形の領域に分布配列され、
前記副発光点は、前記主発光点の有効な分布領域を内接円とする四角形内に配列することが望ましい（請求項５に対応する）。
このように構成することにより、円形に集光することができ、ファイバ等の効率が高く、また、チップを大きくしなくてすむ、という利点が得られる。
また、各副発光点の酸化狭窄径は、各主発光点の酸化狭窄径よりも小さいことが望ましい（請求項６に対応する）。
Further, three or more sub-light emission points may be provided outside the predetermined area where the main light emission points are distributed and arranged (corresponding to claim 4).
Thus, by having three or more sub-light emission points, the microlens array can be adjusted in six axes. In the case of one point, the XYZ directions can be adjusted, but the αβγ directions around each axis cannot be adjusted. At least 3 points are required for 6-axis adjustment, and a 4-point arrangement is desirable to separate the α and β components.
The main light emitting points are distributed and arranged in a substantially circular region,
The sub light emission points are preferably arranged in a quadrangle having an effective distribution area of the main light emission points as an inscribed circle (corresponding to claim 5).
By configuring in this way, it is possible to collect light in a circular shape, and it is possible to obtain advantages such as high efficiency of the fiber and the like, and no need to enlarge the chip.
Further, it is desirable that the oxidized constriction diameter of each sub-light emission point is smaller than the oxidized constriction diameter of each main light emission point (corresponding to claim 6).
発光点は、光量を大きくするために酸化狭窄径を大きく取ることが望ましいが、副発光点は、プロファイルを確認するには酸化狭窄径が小さい方が望ましい。酸化狭窄径を小さくすることで、図１１に示すような４点のビームプロファイルが小さくなり、分離しやすくなる、という利点が得られる。
また、前記副発光点の放射角は、前記主発光点の放射角よりも小さいことが望ましい（請求項７に対応する）。
何となれば、副発光点のプロファイルを確認するには、放射角が小さい方が、図１１に示すような４点のビームプロファイルが小さくなり、分離しやすくなるからである。
また、前記レーザー装置と、
前記レーザー装置から入射される光に基づいて強いレーザーパルスを発生させるレーザー共振器とを具備し、
前記レーザー共振器のレーザーパルスによって内燃機関を点火するようにしてもよい（請求項８に対応する）。
上述したようなレーザー装置を、レーザー共振器によって入射し、ジャイアントパルスを発生させる装置を内燃機関に備えることで、レーザーによる点火装置を得ることができる。即ち、スイッチレーザーによってジャイアントパルスを発生しエアブレイクダウンによって気体を燃焼させることができる。
The light emitting point preferably has a large oxidized constriction diameter in order to increase the amount of light, but the auxiliary light emitting point preferably has a small oxidized constriction diameter in order to confirm the profile. By reducing the oxidized constriction diameter, the four-point beam profile as shown in FIG. 11 becomes small, and the advantage that it becomes easy to separate is obtained.
In addition, it is desirable that a radiation angle of the sub light emission point is smaller than a radiation angle of the main light emission point (corresponding to claim 7).
This is because, in order to confirm the profile of the sub-emission point, the beam profile of four points as shown in FIG.
The laser device;
A laser resonator that generates a strong laser pulse based on light incident from the laser device;
The internal combustion engine may be ignited by a laser pulse of the laser resonator (corresponding to claim 8).
An ignition device using a laser can be obtained by providing the internal combustion engine with a device that makes the laser device as described above incident by a laser resonator and generates a giant pulse. That is, it is possible to generate a giant pulse by the switch laser and burn the gas by air breakdown.
また、本発明に係るレーザー装置の調整方法は、所定領域に分布配列される複数の主発光点と前記所定領域に関連して配置される複数の副発光点とからなる面発光型の発光点が２次元的に配列されてなる面発光型レーザーアレイ基板と、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなり、当該面発光型レーザーアレイ基板に対して直接または中間的な部材を介して接着保持されるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成としたレーザー装置の調整方法であって、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記副発光点のみを発光させて、
前記レンズアレイを少なくとも３軸において調整配置し、
前記レンズアレイ通過後のビーム径およびビーム位置が所定の径および位置になるように調整した後に
前記レンズアレイを接着保持することを特徴としている（請求項９に対応する）。
In addition, the method for adjusting a laser device according to the present invention includes a surface-emitting type light emitting point comprising a plurality of main light emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub light emitting points arranged in association with the predetermined area. A surface-emitting laser array substrate in which are two-dimensionally arranged,
A lens surface having a lens surface formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface-emitting type laser array substrate, and bonded and held to the surface-emitting type laser array substrate directly or via an intermediate member An array,
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
An adjustment method of a laser device configured to control lighting of the sub light emission point independently of the main light emission point,
Only emit the sub-emission point of the surface-emitting laser array substrate,
Adjusting and arranging the lens array in at least three axes;
The lens array is adhered and held after adjusting so that the beam diameter and beam position after passing through the lens array become a predetermined diameter and position (corresponding to claim 9).
このように構成することにより、主発光点とは独立に点灯制御される調整用の副発光点からのレーザービームを検知観察して、面発光型半導体レーザーアレイに対するマイクロレンズアレイの位置ずれを高精度に検知し且つ調整して、マイクロレンズアレイを高精度に実装することができる。 With this configuration, the laser beam from the adjustment sub-emission point, which is controlled to be turned on independently of the main emission point, is detected and observed, and the positional deviation of the microlens array relative to the surface-emitting semiconductor laser array is increased. The microlens array can be mounted with high accuracy by detecting and adjusting the accuracy.
１，１′ レーザーアレイ光源
２ マイクロレンズアレイ
３ 集光レンズ
４ 光ファイバ
５ マウント
６ 熱拡散板
７ ヒートシンク
８ ハウジング
９ 保持部材
１０ リード線
２０，２０′ レーザーアレイ基板
２１ 主発光点
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ 副発光点
５１ ペルチェ素子
６０ レーザー発光モジュール
６１ 送風ファン
６２ 電源装置
６３ 点火プラグ
６４ エンジン
ＡＢ 接着剤
ＢＰ ビームプロファイラ
ＭＥ 主発光領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 'Laser array light source 2 Micro lens array 3 Condensing lens 4 Optical fiber 5 Mount 6 Thermal diffusion plate 7 Heat sink 8 Housing 9 Holding member 10 Lead wire 20, 20' Laser array substrate 21 Main light emitting points 22a, 22b, 22c , 22d, 22e, 22f, 22g, 22h Sub-light emitting point 51 Peltier element 60 Laser light emitting module 61 Blower fan 62 Power supply device 63 Spark plug 64 Engine AB Adhesive BP Beam profiler ME Main light emitting region
Claims (9)
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成とし、且つ
前記レンズアレイを前記面発光型レーザーアレイ基板に対応する位置に調整保持してなることを特徴とするレーザー装置。 Surface-emitting laser in which surface-emitting type light-emitting points each composed of a plurality of main light-emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub-light-emitting points arranged in association with the predetermined area are two-dimensionally arranged. An array substrate;
A lens array in which a lens surface is formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface emitting laser array substrate;
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
A laser apparatus, wherein the sub-light emitting point is controlled to be turned on independently of the main light emitting point, and the lens array is adjusted and held at a position corresponding to the surface emitting laser array substrate.
前記副発光点は、最も近傍の主発光点に対して前記間隔Ａ（μm）よりも離れて配置され、
且つこれら複数の副発光点の相互間隔および前記主発光点の少なくとも１点からの間隔は、前記間隔Ａ（μm）の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。 The main light emitting points are distributed and arranged at equal intervals A (μm),
The sub-light emission point is arranged away from the nearest main light emission point than the interval A (μm),
2. The laser device according to claim 1, wherein an interval between the plurality of sub-light emitting points and an interval from at least one of the main light emitting points is an integral multiple of the interval A (μm).
前記副発光点は、前記主発光点の有効な分布領域を内接円とする四角形内に配列されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザー装置。 The main light emitting points are distributed and arranged in a substantially circular region,
5. The laser device according to claim 1, wherein the sub light emission points are arranged in a quadrangle having an effective distribution region of the main light emission points as an inscribed circle. 6.
前記レーザー装置から入射される光に基づいて強いレーザーパルスを発生させるレーザー共振器とを具備し、
前記レーザー共振器のレーザーパルスによって内燃機関を点火することを特徴とする点火装置。 A laser device according to any one of claims 1 to 7,
A laser resonator that generates a strong laser pulse based on light incident from the laser device;
An ignition device for igniting an internal combustion engine with a laser pulse of the laser resonator.
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記各発光点に対応する位置にそれぞれレンズ面が形成されてなり、当該面発光型レーザーアレイ基板に対して直接または中間的な部材を介して接着保持されるレンズアレイと、
前記レンズアレイから射出される複数の光束を集光する集光光学系と、
を備え、
前記複数の主発光点を一律に点灯制御し、
前記副発光点を前記主発光点とは独立に点灯制御する構成としたレーザー装置の調整方法であって、
前記面発光型レーザーアレイ基板の前記副発光点のみを発光させて、
前記レンズアレイを少なくとも３軸において調整配置し、
前記レンズアレイ通過後のビーム径およびビーム位置が所定の径および位置になるように調整した後に
前記レンズアレイを接着保持することを特徴とするレーザー装置の調整方法。 Surface-emitting laser in which surface-emitting type light-emitting points each composed of a plurality of main light-emitting points distributed in a predetermined area and a plurality of sub-light-emitting points arranged in association with the predetermined area are two-dimensionally arranged. An array substrate;
A lens surface having a lens surface formed at a position corresponding to each light emitting point of the surface-emitting type laser array substrate, and bonded and held to the surface-emitting type laser array substrate directly or via an intermediate member An array,
A condensing optical system for condensing a plurality of light beams emitted from the lens array;
With
Lighting control of the plurality of main light emitting points uniformly,
An adjustment method of a laser device configured to control lighting of the sub light emission point independently of the main light emission point,
Only emit the sub-emission point of the surface-emitting laser array substrate,
Adjusting and arranging the lens array in at least three axes;
A method for adjusting a laser device, comprising: adhering and holding the lens array after adjusting the beam diameter and beam position after passing through the lens array to be a predetermined diameter and position.
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