(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学平面基台上に配置されたレーザ媒質と複数の光学素子と、前記各光学素子を前記光学平面基台上に支持する金属製保持部材を有するレーザ発振器において、
前記金属製保持部材は、マルテンサイト系ステンレス材で構成され、上下方向に２分割された上部保持部材及び下部保持部材からなり、前記上部保持部材と前記下部保持部材との間にはんだ層が設けられ、当該はんだ層及び前記金属製保持部材を含む前記光学素子を支持する部分の、前記レーザ発振器の光軸に垂直な方向の前記光学平面基台の表面からの高さが、
前記複数の光学素子に含まれる全ての凸レンズの焦点距離が８０ｍｍ以上である場合には３０ｍｍ以下であり、
前記複数の光学素子に焦点距離が３０ｍｍ以上８０ｍｍ未満の凸レンズが含まれる場合には１５ｍｍ以下であることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
金属製保持部材と光学平面基台との間に、ヒートシンクを挿入したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
光学平面基台上に配置されたレーザ媒質と複数の光学素子と、前記各光学素子を前記光学平面基台上に支持する金属製保持部材を有するレーザ発振器において、
前記金属製保持部材は、マルテンサイト系ステンレス材で構成され、上下に２分割された上部保持部材及び下部保持部材からなり、前記上部保持部材と前記下部保持部材との間にはんだ層が設けられ、当該はんだ層及び前記金属製保持部材を含む前記光学素子を支持する部分の、前記レーザ発振器の光軸に垂直な方向の前記光学平面基台の表面からの高さが、
前記複数の光学素子に含まれる全ての凸レンズの焦点距離が８０ｍｍ以上である場合には３０ｍｍ以下であり、
前記複数の光学素子に焦点距離が３０ｍｍ以上８０ｍｍ未満の凸レンズが含まれる場合には１５ｍｍ以下である前記レーザ発振器について、
前記レーザ発振器の光軸上に、前記複数の光学素子を精密固定する際、複数箇所の精密固定作業を同時に実施する工程を有することを特徴とするレーザ発振器の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、精密に位置決めして堅牢に固定した光学部品より形成されるレーザ発振器およびその組立方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ発振器では、ガラス製の平面支持板上に紫外線硬化接着剤を用いてミラーなどの光学素子を精密固定している。このような構成により、発振器の組立性を容易にすると共に、光学素子の調整機構をなくすことでコスト低減や小型化を実現し、また熱膨張率の低いガラス材料で光学平面基台を構成することにより、安定なレーザ発振を実現するものである（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、別の従来技術としては、半導体レーザの出力を光ファイバに結合する構成において、光ファイバを精密に位置決めして固定するために、光ファイバの保持ベースにはんだ層を設けている。このような構成により、紫外線硬化接着剤を用いるよりも信頼性の高い、堅牢な保持が実現できる。当技術をレーザ発振器に適用すれば、高信頼、高安定な動作が実現できる（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１５２６４９号公報
【特許文献２】米国特許第５９３０６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のようなレーザ発振器にあっては、各光学素子を一般に１０〜１００ミクロン以上の厚い紫外線硬化接着剤層を介して位置決め固定するものである。一般にレーザ発振器は防塵や湿度管理のため気密な空間を維持した状態で使用するが、発振器内の接着剤が相当量である場合、接着層からのアウトガスを生じレーザ発振動作における損失になる場合がある。また、樹脂である接着層は経年劣化を生じ、接着力の低下及び形状変化を生じる場合がある。また、ガラス材質の基台は、アルミニウム等金属材質に比較して高価であり、質量が大きく、加工性が悪く設計の自由度が制限される等の問題点があった。
【０００６】
また特許文献２のような技術を適用したレーザ発振器にあっては、レーザ発振器を構成する各光学素子の金属製保持部材にはんだ層を設け、はんだ温度をコントロールするＰＴＣまたはＮＴＣサーミスタを上記金属製保持部材に一体化して組み込む構成となっている。このため光学素子の位置決め調整中は上記金属製保持部材がはんだ融点以上の温度に上昇しており、位置決め固定後の金属製保持部材の冷却に伴って金属製保持部材が収縮し、光学素子の位置ズレが生じる問題点があった。更に、各光学素子の金属製保持部材の部品点数が多く、構成が複雑であり、組立性及びコストの面で問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光学素子の設置に関する調整機構を有するレーザ発振器において、高信頼な接合を可能とするはんだによって光学素子の精密固定を行う場合、調整時の位置ズレの影響を抑制して調整後のレーザ発振器の出力低下を抑えることが可能な組立方法を提供するとともに、部品点数が少なく安価な構成で上記光学素子の精密固定を実現したレーザ発振器を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るレーザ発振器は、
光学平面基台上に配置されたレーザ媒質と複数の光学素子と、前記各光学素子を前記光学平面基台上に支持する金属製保持部材を有するレーザ発振器において、前記金属製保持部材は、マルテンサイト系ステンレス材で構成され、上下方向に２分割された上部保持部材及び下部保持部材からなり、前記上部保持部材と前記下部保持部材との間にはんだ層が設けられ、当該はんだ層及び前記金属製保持部材を含む前記光学素子を支持する部分の、前記レーザ発振器の光軸に垂直な方向の前記光学平面基台の表面からの高さが、前記複数の光学素子に含まれる全ての凸レンズの焦点距離が８０ｍｍ以上である場合には３０ｍｍ以下であり、前記複数の光学素子に焦点距離が３０ｍｍ以上８０ｍｍ未満の凸レンズが含まれる場合には１５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【０００９】
一方、本発明によるレーザ発振器の組立方法は、光学平面基台上に配置されたレーザ媒質と複数の光学素子と、前記各光学素子を前記光学平面基台上に支持する金属製保持部材を有するレーザ発振器において、前記金属製保持部材は、マルテンサイト系ステンレス材で構成され、上下に２分割された上部保持部材及び下部保持部材からなり、前記上部保持部材と前記下部保持部材との間にはんだ層が設けられ、当該はんだ層及び前記金属製保持部材を含む前記光学素子を支持する部分の、前記レーザ発振器の光軸に垂直な方向の前記光学平面基台の表面からの高さが、前記複数の光学素子に含まれる全ての凸レンズの焦点距離が８０ｍｍ以上である場合には３０ｍｍ以下であり、前記複数の光学素子に焦点距離が３０ｍｍ以上８０ｍｍ未満の凸レンズが含まれる場合には１５ｍｍ以下である前記レーザ発振器について、前記レーザ発振器の光軸上に、前記複数の光学素子を精密固定する際、複数箇所の精密固定作業を同時に実施する工程を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、はんだを用いて堅牢に光学素子を位置決め固定するレーザ発振器において、前記光学素子の金属製保持部材の高さを制限することにより、光学素子調整時から精密固定後のレーザ発振出力の低下を１％以内に抑えることが可能となる。また、恒温の光学平面基台を備えることにより、同一発振器筐体内のレーザ発振器に含まれる複数の光学素子を、同時にはんだを用いて堅牢に位置決め固定するレーザ発振器の組立方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ発振器を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による光学素子保持部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における、レンズの位置ズレ量とレーザ発振器出力低下の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２による光学素子保持部を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３による光学素子保持部を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態４による光学素子保持部を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態５によるレーザ発振器を示す全体構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５による光学素子精密固定作業中の構成図である。
【図９】本発明の実施の形態５によるレーザ発振器組立調整中の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるレーザ発振器の構成図である。光学平面基台２の上に、レーザ発振器１を構成するレーザ媒質５や音響光学Ｑスイッチ素子７や共振器ミラー３a、３ｂ、励起光伝送レンズ４a、４ｂ、モード制限アパーチャ６、また励起光伝送ファイバ８のファイバコネクタ１７、発振レーザ光伝送レンズ２５a、２５ｂが固定されている。励起光は半導体レーザパッケージ９から上記励起光伝送ファイバ８を介し、励起光伝送レンズ４a、４ｂで励起光伝搬径を調節してレーザ媒質５に導入される、端面励起構成のレーザ発振器である。レーザ媒質５としては、固体媒質のNｄ：YVO４、Nｄ：YAG等が用いられる。レーザ媒質５や音響光学Qスイッチ素子７は機械精度で位置決めされ、光学平面基台２に固定される。その他の共振器ミラー３、励起光伝送レンズ４、モード制限アパーチャ６、ファイバ端を留めるファイバコネクタ１７、発振レーザ光伝送レンズ２５の金属製保持部材は、２分割されて低融点はんだ層を含んだ構成となっている。
【００１３】
本発明の実施の形態１によるレーザ発振器は、ファブリー・ペロー型共振器を構成する１ヶ所以上の光学素子を有しており、前記光学素子は例えば共振器ミラーやレンズであり、それら光学素子は発振器筐体の光学平面基台上に、線膨張率の低い金属製保持部材、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼製などの金属製保持部材で支持される。前記金属製保持部材は上下方向に２分割されており、その間に低融点はんだ層を含む。また、前記金属製保持部材にはヒータ挿入用の穴が１ヶ所設けてある。上記構成において、前記低融点はんだ層を含む金属製保持部材の高さを所定値である３０ｍｍ以下にすることを特徴とする。また、焦点距離８０ｍｍ以下の凸レンズ、または曲率１６０ｍｍ以下の凹ミラーを固定する際は、前記低融点はんだ層を含む金属製保持部材の高さを所定値の１／２である１５ｍｍ以下にすることを特徴とする。または、上記高さの値を実現するために、光学素子を設置する位置の光学平面基台と金属製保持部材の間に、ヒートシンクを設けることを特徴とする。更に、光学素子位置決め調整中の光学平面基台温度を一定にする恒温機構を備えることを特徴とする。
【００１４】
図２にはんだ層を含んだ光学素子保持部の拡大図の例を示す。ここでは共振器内に設置されるミラーやレンズの例を示している。光学素子３は上部保持部材１０の部材にミクロンオーダー以下の薄いエポキシ接着剤層１２により接着されている。用いるエポキシは例えばセメダインＥＰ１６０など、熱硬化性の接着剤を適用する。
【００１５】
一方、光学平面基台２には、下部保持部材１１の部材がボルト２１により締付固定されている。上部保持部材１０と下部保持部材１１の両部材は、例えば一般的なオーステナイト系ステンレス材ＳＵＳ３０４に比較して線膨張率が約１／２と小さい例えばマルテンサイト系ステンレスＳＵＳ４４０などで作成する。
【００１６】
また、光学素子保持に適用する金属の上下両部材には、ニッケルや金などのメッキ処理を施すことによりはんだ濡れ性及び耐腐食性を確保する。両部材の間に低融点はんだ層１３を設ける。用いるはんだは、例えばＳｎ−Ｂｉ共晶合金の溶融温度約１４０℃の低融点はんだを適用する。
【００１７】
上記下部保持部材１１には、カートリッジヒータを挿入する穴を設けており、この穴の直径は、製作時に挿入するカートリッジヒータの直径に対してすきまばめ公差基準で製作する。
【００１８】
更に、上部保持部材１０、下部保持部材１１は、光学平面基台２の面に対して約２０°傾いた面ではんだを介して接している。また、前記カートリッジヒータ挿入用穴は、上部保持部材１０に設けてもよい。ここで上部保持部材１０、下部保持部材１１を合わせた高さ（図２のｈの値）は３０ｍｍ以下で構成している。
【００１９】
このような構成によれば、低融点はんだ層１３を含む上部保持部材１０、下部保持部材１１が、２点の安価な金属部材で構成できる。上部保持部材１０、下部保持部材１１の表面はメッキ処理によりはんだ濡れ性が確保されている。また、上記上部保持部材１０、下部保持部材１１は、光学平面基台２の面に対して傾いた面で接しているため、上部保持部材１０と下部保持部材１１の対向面を傾斜方向にずらすことにより、はんだ層の厚み以上の光学素子の高さ方向の調整が可能となる。
【００２０】
光学素子３を上部保持部材１０に接着するエポキシ１２は熱硬化性で、調整時の高温状態でも必要な接着力を確保できる。また、エポキシ接着層１２はミクロンオーダー以下の厚みで構成され使用量は極めて少なく、これまでの評価によりアウトガス及び変形の影響は無視できるレベルであることが判明している。はんだ層１３に適用するはんだは低融点であるものの、光学素子位置決め調整時にははんだ層に接する上部保持部材１０、下部保持部材１１の温度は平均１２０℃程度上昇している。そのため、位置決め後に冷却して室温に戻す過程において上部保持部材１０、下部保持部材１１が収縮し、光学素子の位置が最適位置から低くなる方向にずれる。
【００２１】
一般的なシングルモード発振器における、光学素子の位置ズレ量とレーザ発振出力の関係を図３に示す。図３に示すように焦点距離８０ｍｍ以上の凸レンズにおいては、４０ミクロン以下の位置ズレに抑制することで、レーザ発振出力低下を１％以内に抑えることが可能となる。上部保持部材１０、および下部保持部材１１の線膨張係数は10.2×10-6／℃であり、１２０℃の温度変化を想定した場合、上部保持部材１０、下部保持部材１１の合計高さが３０ｍｍ以内であれば位置ズレを４０ミクロン以下に抑制できる。この位置ズレ量は、実際の試験によっても一致する結果を確認できた。同様の結果は、線膨張係数が12.0×10-6／℃以下の値を有する材料で上部保持部材、および下部保持部材を構成した場合に得られることを確認している。
【００２２】
シングルモード発振器内に用いられるレンズは一般的に焦点距離８０ｍｍ以上で構成できるため、上記範囲が実現できれば通常の発振器設計には対応可能となる。また、レーザ発振器の小型化を狙うなど、焦点距離８０ｍｍ以下の凸レンズ、もしくはそれとほぼ等価な働きを持つ曲率１６０ｍｍ以下の凹ミラーを固定する特殊な構成の際は、図３より２０ミクロン以下の位置ズレに抑制すれば同様にレーザ発振出力低下を１％以内に抑えることが可能となる。２０ミクロン以下の位置ズレ量を達成するためには、上部保持部材１０、下部保持部材１１の合計高さを所定値の１／２である１５ｍｍ以下に設計する必要がある。この範囲で設計することにより、レーザ発振器内に適用でき得るあらゆるレンズに対して本構成が採用できる。
【００２３】
図２で示したような光学素子３のみならず、レーザ発振器１内のレーザ光軸上に配置されるその他の励起光伝送レンズ４や発振光伝送レンズ２５、及び金属製のモード制限アパーチャ６、ファイバコネクタ１７を取り付けた金属製のファイバコネクタ取付板１８などについても、はんだ層を含む低線膨張率の金属部材で構成された保持部材を構成することにより、同様の効果が得られる。
【００２４】
レーザ光軸上に配置する素子が、モード制限アパーチャ６や、ファイバコネクタ取付板１８のように金属（アルミニウムやステンレス鋼）製であれば、ニッケル及び金などはんだ濡れ性の確保できるメッキ処理を施し、直接はんだ層との接合面を持たせる構成が可能となり、更に部品点数を低減できる。
【００２５】
本実施の形態１に示す構成を採用すれば、従来のようなＰＴＣまたはＮＴＣサーミスタを光学素子ベースに一体化する必要がなくなるため、部品点数の少ない安価で組立容易な構成のはんだ精密固定光学素子ベースが実現できる。また、この光学素子保持によってレーザ発振器を構成することにより、安価、堅牢、小型、安定動作かつ組立性の良いレーザ発振器が実現できる。
【００２６】
実施の形態２．
光学素子保持部の別の例を図４に示す。下部保持部材１１の下にヒートシンク２７を設けており、上記ヒートシンク２７は例えば直接水冷されたものであり、光学素子３の位置調整中において温度上昇を５℃以下に抑えてある。このような構成とすることで、金属製保持部材の高さｈを増やさず、光学素子位置決め調整時からの位置ズレによるレーザ発振器出力の低下を１％以内に抑えた状態で、光学素子を所望の高さに配置する構成が可能となる。
【００２７】
実施の形態３．
また、光学素子保持構造の別の例を図５に示す。この例では光学ガラス製のミラー側面に、ニッケルあるいは金などを蒸着している。このように、光学素子側面に直接はんだ濡れ性を確保してもよい。
【００２８】
この構成によれば、図２に示した上部保持部材１０と下部保持部材１１とが一体化でき、部品点数が低減できるため、更に発振器光軸高さを低くすることが可能となり、レーザ発振器１の小型化が図れる。また、エポキシ接着剤層を無くすことができ、信頼性を向上できる。
【００２９】
実施の形態４．
更に、光学素子保持構造の別の例を図６に示す。この例では光学ガラス製のミラー３を、はんだ濡れ性を確保するべくメッキ処理を行った光学素子挟み込み保持ホルダ２６によって挟み込み保持している。この光学素子挟み込み保持ホルダ２６は直接はんだ層を介して下部保持部材１１に接することで光学素子を保持する構成となる。
【００３０】
この構成によれば、図２に示した光学素子と上部保持部材を接着するエポキシ接着剤が不要となり、信頼性を更に向上させることが可能となる。
【００３１】
実施の形態５．
レーザ発振器において、光軸上に配置される光学素子、アパーチャ、ファイバコネクタ固定板などを精密固定する作業手順を示す。図８のように下部保持部材１１に設けた穴に市販のカートリッジヒータ１４を挿入する。
カートリッジヒータ１４の外径と光学素子ベース１１の内径はすきまばめ公差基準で製作してあり、必要に応じて脱着でき、かつ効率的な熱伝達が実現できる。カートリッジヒータは、ヒータ電源を兼ねた温度調節器１６に接続される。
【００３２】
一方、下部保持部材１１に熱電対を取り付け、同じく温度調節器１６に接続する。はんだ層１３に接する上部保持部材１０と下部保持部材１１の対向面の温度がはんだ融点を若干超過する約１５０℃を維持しながら、光学素子３を別途位置調整治具２４で把持して位置決めを行う。位置が確定すれば、その位置を治具２４で完全に固定した状態ではんだ層温度を下げてはんだ層１３を硬化させる。その後光学素子３を把持する調整治具２４及びカートリッジヒータ１４を取り去り、光学素子精密固定が完了する。
【００３３】
実際にレーザ発振器を製造、調整する際は、複数の光学素子を同時に調整する必要が生じる。図９に示すように、ここでは２つの励起光伝送レンズ４a、４ｂ、及び２つの共振器ミラー３a、３ｂを同時に、各下部保持部材１１にカートリッジヒータ１４を挿入して、位置調整治具２４によって把持した光学素子を調整している状態を示している。複数の素子を同時に位置調整するため、光学平面基台に歪みが生じてはならない。光学平面基台に十分な熱容量がなく、素子調整時のヒータ加熱中において基台の温度変化が見込まれる際は、図７に示すように恒温機能を持つ光学平面基台２８を適用する。例として基台を直接水冷して温度制御を行う。本構成により、複数の素子を同時に、調整中からのレーザ発振出力低下を１％以内に抑えるよう相互の位置ズレを起こさずに精密固定することが可能となる。
【００３４】
また、カートリッジヒータは繰り返し使用できるため、レーザ発振器の製造コスト低減が可能となる。部品点数も少なく、組立も容易となり、複数箇所光学素子の同時調整も容易に実施できる。
【符号の説明】
【００３５】
１  レーザ発振器、２  光学平面基台、３  光学素子、４  励起光伝送レンズ、５  レーザ媒質、６  モード制限アパーチャ、７  音響光学Ｑスイッチ、８  励起光伝送光ファイバ、９  半導体レーザパッケージ、１０  上部保持部材、１１  下部保持部材、１２  エポキシ接着剤、１３  はんだ、１４  カートリッジヒータ、１５  熱電対、１６  温度調節器、１７  ファイバコネクタ、１８  ファイバコネクタ取付板、１９  熱電対一体型カートリッジヒータ、２０  カートリッジヒータ挿入用穴、２１  固定ボルト、２２  側面金属蒸着ミラー、２３  ヒータ用給電線、２４  位置調整治具、２５  レーザ発振光伝送レンズ、２６  光学素子挟み込み保持ホルダ、２７  ヒートシンク、２８  恒温の光学平面基台。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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