(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体レーザ素子の温度を検出する温度検出素子の測定誤差を低減して、半導体レーザ素子の温度制御を精度良く行うようにできる。【解決手段】光学分析に用いられる半導体レーザ装置であって、半導体レーザ素子２と、半導体レーザ素子２の温度を検出する温度検出素子３と、温度検出素子３の出力を外部に出力する出力端子Ｔ２と、温度検出素子３及び出力端子を電気的に接続する配線Ｌ２と、温度検出素子３及び出力端子Ｔ２の間に介在して設けられ、配線Ｌ２の少なくとも一部に接触して配線の熱容量を大きくする熱容量増大部７とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学分析に用いられる半導体レーザ装置であって、
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の温度を検出する温度検出素子と、
前記温度検出素子の出力を外部に出力する出力端子と、
前記温度検出素子及び前記出力端子を電気的に接続する配線と、
前記温度検出素子及び前記出力端子の間に介在して設けられ、前記配線の少なくとも一部に接触して前記配線の熱容量を大きくする熱容量増大部とを備える、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は、量子カスケードレーザである、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子が搭載されて前記半導体レーザ素子を冷却するための冷却機構と、
前記温度検出素子の検出温度を用いて前記冷却機構を制御する制御部とさらに備える、請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記冷却機構及び前記半導体レーザ素子の間に介在して設けられたサブマウントをさらに備え、
前記熱容量増大部は、前記サブマウントに接触している、請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記熱容量増大部は、シリコンから形成されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記配線が前記サブマウントに埋め込まれており、
前記サブマウントが前記熱容量増大部として機能する、請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記サブマウントは、積層セラミック基板であり、
前記配線は、前記積層セラミック基板の配線を用いて構成されている、請求項４又は６記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子の光出射面とは反対側の端面に対向して、当該端面から出る光を遮る遮光部をさらに備える、請求項１乃至７の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記温度検出素子は、前記半導体レーザ素子の光出射面とは反対側の端面に対向して設けられている、請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
流体に含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、
前記流体が導入される測定セルと、
前記測定セルにレーザ光を照射する請求項１乃至９の何れか一項に記載の半導体レーザ装置と、
前記測定セルを通過したレーザ光を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出信号を用いて前記測定対象成分を分析する分析部とを有する、分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学分析に用いられる半導体レーザ装置、及び分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば半導体レーザ素子を用いたガス分析装置では、半導体レーザ素子から射出されるレーザ光の波長変動が分析精度に影響を与えることから、波長変動の要因の１つである半導体レーザ素子の温度を所望の温度に制御することが行われている。
【０００３】
例えば特許文献１では、ペルチェ素子及び支持基板等を有する温度制御部に、半導体レーザ素子及びサーミスタ等の温度検出部を搭載して、温度検出部により得られた温度に基づいて温度制御部を制御している。これにより、半導体レーザ素子の温度を所望の温度に制御して、レーザ光の波長変動を抑えている。特許文献１の半導体レーザ光源では、ベース部材及びキャップ部材によって形成された内部空間に、半導体レーザ素子、温度検出部、および温度制御部が設けられている。そして、ベース部材の外部から内部空間に向かってベース部材を貫通するように設けられた複数のピン端子が、導電性ワイヤーを通して、半導体レーザ素子、温度検出部、および温度制御部にそれぞれ電気的に接続されている。
【０００４】
しかしながら、半導体レーザ光源の周囲温度の変化に伴い、ベース部材に設けられたピン端子の温度が変化し、当該ピン端子から導電性ワイヤーを通じて温度検出部に熱が伝わってしまう。そうすると、導電性ワイヤーからの熱によって温度検出部の温度が変動してしまう。その結果、半導体レーザ素子の温度に測定誤差が生じてしまい、半導体レーザ素子の温度を精度良く制御することが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０８４７４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、半導体レーザ素子の温度を検出する温度検出素子の測定誤差を低減して、半導体レーザ素子の温度制御を精度良く行うようにできることをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る半導体レーザ装置は、光学分析に用いられるものであって、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の温度を検出する温度検出素子と、前記温度検出素子の出力を外部に出力する出力端子と、前記温度検出素子及び前記出力端子を電気的に接続する配線と、前記温度検出素子及び前記出力端子の間に介在して設けられ、前記配線の少なくとも一部に接触して前記配線の熱容量を大きくする熱容量増大部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような半導体レーザ装置であれば、温度検出素子及び出力端子を接続する配線に接触して当該配線の熱容量を大きくする熱容量増大部を設けているので、配線を伝達して温度検出素子に流入する熱量を低減することができる。その結果、温度検出素子により半導体レーザ素子の温度を精度良く検出することができ、半導体レーザ素子の温度制御を高精度に行うことができる。
【０００９】
例えば赤外分光分析などの光学分析に好適に用いるためには、前記半導体レーザ素子は、量子カスケードレーザであることが望ましい。ここで、量子カスケードレーザは、通常の半導体レーザと比較して一桁以上消費電力が多く、温度変化が生じやすいため、波数変動の影響を大きく受けてしまう。本発明によれば、量子カスケードレーザの温度制御を高精度に行うことができるので、温度変化による波数変動を抑えることができ、光学分析を高精度に行うことができる。
【００１０】
半導体レーザ素子の温度調整を行うための具体的な実施の態様としては、半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子が搭載されて前記半導体レーザ素子を冷却するための冷却機構と、前記温度検出素子の検出温度を用いて前記冷却機構を制御する制御部とさらに備えることが望ましい。
【００１１】
冷却機構に半導体レーザ素子を直接搭載した場合には、冷却機構の熱膨張率と半導体レーザ素子の熱膨張率との差によって、両者に歪みが生じたり、両者に隙間が形成されて熱伝達が阻害されたりする恐れがある。
このため、半導体レーザ装置は、前記冷却機構及び前記半導体レーザ素子の間に介在して設けられたサブマウントをさらに備えることが考えられる。このサブマウントの熱膨張率は、冷却機構の熱膨張率と半導体レーザ素子の熱膨張率との間とすることが考えられる。また、サブマウントの材質としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックスを用いることが考えられる。
【００１２】
配線の熱容量を増大させるとともに、配線の温度を積極的に半導体レーザ素子と同じ温度にするためには、前記熱容量増大部は、前記サブマウントに接触していることが望ましい。このとき、前記熱容量増大部を配線の一部を覆う構成とすることで、配線全体を覆う構成に比べて熱容量増大部の容積を小さくすることができ、サブマウントからの伝熱による温度調整が容易となり、配線の温度が安定するまでの時間（例えば暖機時間）を短縮することができる。
【００１３】
前記熱容量増大部は、絶縁性材料であるシリコンから形成されていることが望ましい。この構成であれば、配線の電気信号の伝達を阻害することなく、熱容量を増大させることができる。また、シリコンは柔軟性を有することから、配線が破断しにくくなり、配線を保護する役割も果たす。
【００１４】
熱容量増大部を既存の構成を用いて構成するためには、前記配線が前記サブマウントに埋め込まれており、前記サブマウントが前記熱容量増大部として機能することが望ましい。
【００１５】
ここで、前記サブマウントは、積層セラミック基板であり、前記配線は、前記積層セラミック基板の配線を用いて構成されていることが望ましい。
【００１６】
半導体レーザ素子の光出射面とは反対側の端面から光が漏れ出てしまい、この漏れ出た光が迷光となってしまう恐れがある。このため、迷光を低減するためには、半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子の光出射面とは反対側の端面に対向して、当該端面から出る光を遮る遮光部をさらに備えることが望ましい。
【００１７】
また、前記温度検出素子を、前記半導体レーザ素子の光出射面とは反対側の端面に対向して設けることによって、温度検出素子によって迷光を低減することができる。
【００１８】
また、本発明に係る分析装置は、流体に含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、前記流体が導入される測定セルと、前記測定セルにレーザ光を照射する上記の半導体レーザ装置と、前記測定セルを通過したレーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号を用いて前記測定対象成分を分析する分析部とを有することを特徴とする。
このような分析装置によれば、半導体レーザ素子の温度制御を高精度に行うことができるので、流体に含まれる測定対象成分を精度良く分析することができる。
【発明の効果】
【００１９】
このように構成した本発明によれば、半導体レーザ素子の温度を検出する温度検出素子の測定誤差を低減して、半導体レーザ素子の温度制御を精度良く行うようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る半導体レーザ装置が用いられる排ガス分析装置の全体模式図である。
【図２】同実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図３】同実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す断面図である。
【図４】変形実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図５】変形実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す断面図である。
【図６】変形実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図７】変形実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
本実施形態の半導体レーザ装置１００は、図１に示すように、例えば内燃機関から排出される排ガス中の測定対象成分（例えばＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、ＨＣ等の炭化水素成分、ＨＣＨＯ等の酸素を含む炭化水素成分）を分析する排ガス分析装置１０に用いられるものである。ここで、排ガス分析装置１０は、排ガスが導入される多重反射型の測定セル１１と、測定セル１１にレーザ光Ｘを照射する半導体レーザ装置１００と、測定セル１１を通過したレーザ光Ｘを検出する光検出器１２と、光検出器１２の検出信号を用いて測定対象成分を分析する分析部１３とを有している。なお、測定セル１１は、多重反射型のものに限られず、単反射型のものであってもよいし、反射を用いない１パス型のものであっても良い。
【００２３】
具体的に半導体レーザ装置１００は、測定対象成分の吸収波長を含む発振波長のレーザ光Ｘを射出するものであり、図２及び図３に示すように、半導体レーザ素子２と、半導体レーザ素子２の温度を検出する温度検出素子３と、半導体レーザ素子２及び温度検出素子３が搭載され、半導体レーザ素子２を冷却するための冷却機構４と、半導体レーザ素子２及び温度検出素子３と冷却機構４との間に設けられたサブマウント５と、それらを収容する気密容器６とを備えている。
【００２４】
半導体レーザ素子２は、例えば赤外波長のレーザ光Ｘを射出する分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ：Distributed Feedback Laser）であり、特に本実施形態では、複数の井戸層が多段接続され、それら量子井戸中に形成されるサブバンド間の光学遷移により光を発する量子カスケードレーザである。
【００２５】
温度検出素子３は、半導体レーザ素子２が搭載されたサブマウント５の温度を検出することにより、半導体レーザ素子２の温度を検出するものである。本実施形態の温度検出素子３は、サーミスタであり、半導体レーザ素子２の温度との差を小さくするために半導体レーザ素子２の近傍に設けている。図２の温度検出素子３は、半導体レーザ素子２の側方に設けているが、その他の位置であっても良い。なお、温度検出素子３を半導体レーザ素子２の光出射面とは反対側の後端面に対向して設けることによって、半導体レーザ素子２の後端面から漏れ出た光を遮り迷光を低減することができる。
【００２６】
冷却機構４は、ペルチェ素子を用いて構成されたものであり、その上面が吸熱面とされている。そして、当該吸熱面にサブマウント５が接触して設けられている。この冷却機構４は、温度検出素子３の検出温度を取得した制御部ＣＯＭによって制御される。具体的に制御部ＣＯＭは、温度検出素子３の検出温度を用いてペルチェ素子に与える電力を制御して、温度検出素子３の検出温度が所望の温度となるようにする。
【００２７】
サブマウント５は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックス基板である。このサブマウント５の上面に半導体レーザ素子２及び温度検出素子３が設けられる。なお、サブマウント５の上面には、各素子２、３と電気的に接続される金属層５１、５２、５３が形成されている。
【００２８】
気密容器６は、例えばバタフライパッケージ等の密閉空間を形成するものであり、半導体レーザ素子２の光出射面に対向する側壁には、レーザ光Ｘを外部に導出するための光導出部６１が形成されている。当該光導出部６１には、光学窓部材６２が設けられており、当該光学窓部材６２は、光学窓部材６２で反射したレーザ光Ｘが再度半導体レーザ素子２に戻らないように、若干（例えば２度）傾斜している。
【００２９】
また、気密容器６には、温度検出素子３の出力を外部に出力する出力端子Ｔ１、Ｔ２と、半導体レーザ素子２に給電するための給電端子Ｔ３、Ｔ４とが設けられている。これら出力端子Ｔ１、Ｔ２及び給電端子Ｔ３、Ｔ４は、温度検出素子３及び半導体レーザ素子２の何れが接続されるかによって任意に決まる。なお、気密容器６には、冷却機構４のペルチェ素子に給電するための給電端子Ｔ５、Ｔ６も設けられている。
【００３０】
出力端子Ｔ１、Ｔ２には、温度検出素子３と電気的に接続する温度検出用の配線Ｌ１、Ｌ２が接続される。出力端子Ｔ１、Ｔ２は２つあり、一方の出力端子Ｔ１には、温度検出素子３の一方の電極に電気的に接続された金属層５１に接続された配線Ｌ１が接続され、他方の出力端子Ｔ２には、温度検出素子３の他方の電極に電気的に接続された配線Ｌ２が接続される。これらの配線Ｌ１、Ｌ２は例えば金線である。
【００３１】
半導体レーザ素子２の給電端子Ｔ３、Ｔ４には、半導体レーザ素子２と電気的に接続する半導体レーザ素子２用の配線Ｌ３、Ｌ４が接続される。給電端子Ｔ３、Ｔ４は２つあり、一方の給電端子Ｔ３には、半導体レーザ素子２の一方の電極に電気的に接続された金属層５２に接続された配線Ｌ３が接続され、他方の給電端子Ｔ４には、金属層５３を介して半導体レーザ素子２の他方の電極に電気的に接続された配線Ｌ４が接続される。同様にして、ペルチェ素子の給電端子Ｔ５、Ｔ６には、ペルチェ素子と電気的に接続するペルチェ素子用の配線Ｌ５、Ｌ６が接続される。
【００３２】
然して、本実施形態の半導体レーザ装置１００は、温度検出素子３及び出力端子Ｔ１、Ｔ２の間に介在して設けられ、温度検出用の配線Ｌ１、Ｌ２の少なくとも一部に接触して当該配線Ｌ１、Ｌ２の熱容量を大きくする熱容量増大部７を備えている。
【００３３】
熱容量増大部７は、出力端子Ｔ２と温度検出素子３とを直接接続する配線Ｌ２の一部に接触して設けられている。この熱容量増大部７は、配線Ｌ２の電気伝導を維持しながら、出力端子Ｔ２からの熱の伝達を低減するものである。具体的に熱容量増大部７は、絶縁性を有する材料から構成されており、配線Ｌ２を覆うことから柔軟性を有する材料が望ましく、例えば柔軟性を有するシリコン等の樹脂である。また、熱容量増大部７は、温度検出用の配線Ｌ２の一部の周囲を覆うように設けられている。さらに、熱容量増大部７は、サブマウント５にも接触して設けられている。
【００３４】
なお、熱容量増大部７は、温度検出用の配線Ｌ２の少なくとも一部とともに温度検出素子３の少なくとも一部を覆うように設けても良い。ここで、熱容量増大部７にシリコンを用いた場合には、シロキサンガスが発生する可能性があり、当該シロキサンガスが接点不良等の電子機器の不具合を生じさせることから、シリコンから成る熱容量増大部７はその体積を小さくすることが望ましい。
【００３５】
＜本実施形態の効果＞
このような半導体レーザ装置１００であれば、温度検出素子３及び出力端子Ｔ２を接続する配線Ｌ２に接触して当該配線Ｌ２の熱容量を大きくする熱容量増大部７を設けているので、配線Ｌ２を伝達して温度検出素子３に流入する熱量を低減することができる。その結果、温度検出素子３により半導体レーザ素子２の温度を精度良く検出することができ、半導体レーザ素子２の温度制御を高精度に行うことができる。つまり、温度検出素子３の検出温度と半導体レーザ素子２の温度との差を低減することができ、半導体レーザ素子２の温度制御を高精度に行うことができる。このような半導体レーザ装置１００を用いたガス分析装置１０であれば、半導体レーザ素子２の発振波長の変動を抑えることができ、ガスに含まれる測定対象成分を精度良く分析することができる。
【００３６】
＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３７】
例えば、前記実施形態では、出力端子Ｔ１、Ｔ２と温度検出素子３とをサブマウント５の上方において配線Ｌ１、Ｌ２で接続する構成であったが、図４、図５に示すように、温度検出用の配線Ｌ１、Ｌ２をサブマウント５に埋め込んで構成しても良い。図４、図５に示すサブマウント５は、積層セラミック基板から構成されている。この構成において温度検出用の配線Ｌ１、Ｌ２は、その一部が積層セラミック基板の配線５ａ、５ｂから構成されている。
【００３８】
具体的には、温度検出素子３の一方の電極は、配線５ａに電気的に接続されており、当該配線５ａは金属層５４に電気的に接続されている。そして、この金属層５４は、金線等の導線Ｌ１１により出力端子Ｔ１に電気的に接続される。また、温度検出素子３の他方の電極は、温度検出素子３の近傍に形成された金属層５５に電気的に接続されており、当該金属層５５は配線５ｂに電気的に接続されている。また、配線５ｂは金属層５６に電気的に接続されており、この金属層５６は、金線等の導線Ｌ２１により出力端子Ｔ２に電気的に接続される。
【００３９】
このように温度検出用の配線Ｌ１、Ｌ２（特に、温度検出素子３の他方の電極に接続される配線Ｌ２）の一部をサブマウント５に埋め込むことによって、サブマウント５自体が熱容量増大部７として機能することになり、配線Ｌ２を伝達して温度検出素子３に流入する熱量を低減することができる。
【００４０】
また、半導体レーザ素子２の一方の電極は、積層セラミック基板の配線５ｃに電気的に接続されており、当該配線５ｃは金属層５７に電気的に接続されている。そして、この金属層５７は、金線等の導線Ｌ３１により給電端子Ｔ３に電気的に接続される。また、半導体レーザ素子２の他方の電極は、金属層５８を介して金線などの配線Ｌ４により給電端子Ｔ４に電気的に接続される。なお、半導体レーザ素子２用の配線Ｌ３、Ｌ４は、サブマウントに埋め込む構成としなくてもよい。
【００４１】
なお、配線Ｌ１、Ｌ２をサブマウント５に埋め込む構成としては、上記のように、積層セラミック基板の配線５ａ、５ｂを用いる構成のほか、サブマウント５に溝を形成し、当該溝に配線Ｌ１、Ｌ２を収容して樹脂などにより封止するようにしても良い。その他、配線Ｌ１、Ｌ２をサブマウント５の表面に接触するように這わせても良い。
【００４２】
また、図６、図７に示すように、サブマウント５に半導体レーザ素子２を収容する凹部Ｍ１を形成し、温度検出素子３を収容する凹部Ｍ２を形成しても良い。このとき、凹部Ｍ１の内面が、半導体レーザ素子の後端面に対向し、当該後端面から漏れ出た光を遮り迷光を低減する遮光部として機能する。ここで、遮光部の遮光面は、反射した光が再度半導体レーザ素子２に戻らないように、若干（例えば２度）傾斜している。なお、図６、図７では、サブマウント５が積層セラミック基板から構成されているが、単なるセラミック基板であっても良い。
【００４３】
また、半導体レーザ素子２の後端面に対向して段差部を形成しても良い。この段差部の高さ寸法は、半導体レーザ素子２の高さ寸法よりも高くすることが望ましく、例えば、２ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００４４】
前記実施形態では、量子カスケードレーザ素子を有する半導体レーザ装置について説明したが、その他の半導体レーザ素子（例えば分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ））を有するものであっても良い。
【００４５】
半導体レーザ素子２の駆動方式としては、連続発振（ＣＷ）方式であっても良いし、疑似連続発振（疑似ＣＷ）方式であっても良いし、パルス発振方式であっても良い。
【００４６】
前記実施形態では、半導体レーザ装置をガス分析装置に適用した例を説明したが、その他の光学分析装置に適用しても良い。
【００４７】
また、前記実施形態の半導体レーザ装置を用いた分析装置は、例えば自動車の排ガス分析に用いられる他に、大気などの種々の気体（例えば環境ガス）の測定対象成分（例えばＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、ＨＣ等の炭化水素成分、ＨＣＨＯ等の酸素を含む炭化水素成分）を分析するものであっても良いし、液体を分析するものであっても構わない。
【００４８】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１００・・・半導体レーザ装置
２・・・半導体レーザ素子
３・・・温度検出素子
Ｔ１、Ｔ２・・・出力端子
Ｌ１、Ｌ２・・・配線
７・・・熱容量増大部
４・・・冷却機構
ＣＯＭ・・・制御部
５・・・サブマウント
５ａ、５ｂ・・・積層セラミック基板の配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020145385.tif 000007
【図６】
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【図７】
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