(57)【要約】【課題】パッケージ内に配置した半導体レーザーから出射したレーザービームを、集光光学系によって集光して光ファイバーに結合するようにしたレーザー装置において、半導体レーザーの出力や寿命を高く確保し、集光光学系を構成する光学部品を高い位置精度で固定する。【解決手段】半導体レーザーＬＤ７と、光ファイバー30と、半導体レーザーＬＤ７から出射したレーザービームＢ７を集光して、光ファイバー30の入射端に照射させる集光光学系（例えばコリメーターレンズアレイ18と集光レンズ20とからなる）と、パッケージ40とを備えてなるレーザー装置において、パッケージ40に固定された固定部材10、45に対して、集光光学系を構成する上記要素18、20を薄層接着剤によって固定する一方、固定部材10に対して半導体レーザーＬＤ７は半田によって固定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザーと、
光ファイバーと、
前記半導体レーザーから出射したレーザービームを集光して、前記光ファイバーの入射端に照射させる集光光学系と、
この集光光学系および前記半導体レーザーを内部に固定して収容するとともに、前記光ファイバーを、その前記入射端が集光光学系に対向する状態に固定したパッケージとを備えてなるレーザー装置において、
前記パッケージあるいはそれに固定された固定部材に対して、前記集光光学系を構成する光学部品が薄層接着剤によって固定され、前記半導体レーザーが半田によって固定されていることを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記半導体レーザーが固定される固定部材および、前記光学部品が固定される固定部材が、共に半田によってパッケージに固定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記固定部材に薄層接着剤によってホルダが固定され、このホルダに、薄層接着剤によって前記集光光学系を構成する光学部品が固定されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記半導体レーザーを含む複数の要素が半田によって、パッケージあるいはそれに固定された固定部材に固定され、
それらの要素を各々固定する半田として、互いに同じものが用いられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記半導体レーザーを含む複数の要素が半田によって、パッケージあるいはそれに固定された固定部材に固定され、
それらの要素を各々固定する半田として、融点が互いに異なるものが用いられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザー装置。
【請求項６】
請求項１から５いずれか１項記載のレーザー装置を組み立てる方法であって、半田によって固定される要素を固定した後に、薄層接着剤によって固定される要素を固定することを特徴とするレーザー装置の組立方法。
【請求項７】
前記半田として互いに融点が異なる複数種の半田が用いられる場合、融点がより高い第１の半田を用いる固定作業が終了してから、融点がより低い第２の半田を用いる固定作業を、第１の半田の融点未満の温度で第２の半田を溶融させて行うことを特徴とする請求項６記載のレーザー装置の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー装置、特に詳細には、パッケージ内に収容した半導体レーザーから発せられたレーザービームを光ファイバーに結合させるようにしたレーザー装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のようなレーザー装置を組み立てる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１および２に示されるように、複数本のレーザービームを１本の光ファイバーに入力させて合波することにより、高出力のレーザービームを得るようにしたレーザー装置が知られている。このレーザー装置は基本的に、複数本のレーザービームを発する１つまたは複数の半導体レーザーと、１本の光ファイバーと、上記半導体レーザーから出射した複数本のレーザービームを集光した上で光ファイバーの入射端に照射させる集光光学系とから構成されている。
【０００４】
また、例えば特許文献３に示されるように、特に複数本のレーザービームを１本に合波することはしないで、１つの半導体レーザーから発せられたレーザービームを集光光学系で集光して光ファイバーに結合させるようにしたレーザー装置も知られている。
【０００５】
上記半導体レーザーおよび集光光学系は、ゴミ、ダストなどによる汚染防止等のためにパッケージ内に気密封止されることが多い。そしてその場合、半導体レーザーや、集光光学系を構成する集光レンズ等の光学部品は、パッケージ側に固定された固定部材やホルダ等に接着剤や半田を用いて固定されるのが一般的である。また、そのようなパッケージが用いられる場合、光ファイバーは、その入射端が集光光学系に対向する状態にして該パッケージに固定されるが、その固定にも上記接着剤や半田が採用されることが多い。なお特許文献２には、接着剤を用いて光ファイバーをパッケージに固定する構造の一例が示されている。
【特許文献１】特開２００３−３４７６４７号公報
【特許文献２】特開２００４−０４５６６７号公報
【特許文献３】特開平０７−０１３０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようなパッケージあるいはそれに固定された固定部材に半導体レーザーや光学部品を固定する場合、その固定に半田や接着剤を利用すると、半導体レーザーの出力や寿命が低下したり、光ファイバーと高精度に位置合わせする必要がある集光レンズ等の位置精度が、本来必要な誤差１μｍ程度まで確保できず、誤差が数μｍ程度まで拡大してしまうという問題が認められる。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みて、半導体レーザーの出力や寿命を高く確保でき、そして集光光学系を構成する光学部品を高い位置精度で固定することができるレーザー装置、およびその組立方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるレーザー装置は、半導体レーザーや光学部品の固定に半田や接着剤を利用するものであるが、固定対象物に応じてそれらを使い分けて課題を解決するようにしたものであり、より詳しくは、前述したように、
半導体レーザーと、
光ファイバーと、
前記半導体レーザーから出射したレーザービームを集光して、前記光ファイバーの入射端に照射させる集光光学系と、
この集光光学系および前記半導体レーザーを内部に固定して収容するとともに、前記光ファイバーを、その前記入射端が集光光学系に対向する状態に固定したパッケージとを備えてなるレーザー装置において、
前記パッケージあるいはそれに固定された固定部材に対して、前記集光光学系を構成する光学部品が薄層接着剤（乾燥後の膜厚が２μｍ以下である接着剤と定義する）によって固定され、前記半導体レーザーが半田によって固定されていることを特徴とするものである。
【０００９】
なお、半導体レーザーが固定される固定部材および、上記の光学部品が固定される固定部材は、共に半田によってパッケージに固定されることが望ましい。
【００１０】
また本発明のレーザー装置においては、上記固定部材に薄層接着剤によってホルダが固定され、このホルダに、薄層接着剤によって集光光学系を構成する光学部品が固定されることが望ましい。
【００１１】
また本発明のレーザー装置においては、半導体レーザーだけでなく、該半導体レーザーを含む複数の要素が半田によってパッケージあるいはそれに固定された固定部材に固定されてもよく、その場合は、それらの要素を各々固定する半田として、互いに同じものが用いられてもよいし、あるいは融点が互いに異なるものが用いられてもよい。
【００１２】
一方、本発明によるレーザー装置の組立方法は、上に説明した通りの本発明によるレーザー装置を組み立てる方法において、半田によって固定される要素を固定した後に、薄層接着剤によって固定される要素を固定することを特徴とするものである。
【００１３】
なお、この本発明によるレーザー装置の組立方法において、互いに融点が異なる複数種の半田が用いられる場合には、融点がより高い第１の半田を用いる固定作業が終了してから、融点がより低い第２の半田を用いる固定作業を、第１の半田の融点未満の温度で第２の半田を溶融させて行うことが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明者の研究によると、従来のレーザー装置において、半導体レーザーの出力や寿命が低下するという問題は、半導体レーザーを接着剤によってパッケージ側に固定した場合に発生していることが判明した。すなわち、この種の接着剤としては紫外線硬化型接着剤等の有機接着剤が一般に用いられるが、そのような接着剤は半田と比較すると熱伝導性が低く、そのため、半導体レーザーからパッケージ側への放熱性がそこで損なわれ、半導体レーザーが高温で駆動されるようになって、出力や寿命の低下を招くのである。
【００１５】
なお多くの場合、上記半導体レーザーは直接パッケージに固定されることはなく、パッケージに固定された熱伝導性の高い銅等からなる固定部材に固定されるが、その場合も、固定部材への半導体レーザーの固定に接着剤が用いられていれば、その接着剤層において半導体レーザーから固定部材への放熱性が損なわれる。
【００１６】
以上の知見に基づいて本発明のレーザー装置においては、パッケージあるいはそれに固定された固定部材に対して、半導体レーザーが半田によって固定されているので、半導体レーザーが発する熱は、接着剤と比べて熱伝導性の高い半田を介して良好にパッケージあるいは固定部材に放熱されるようになる。そうであれば、半導体レーザーが放熱不良のために高温で駆動されることがなくなって、その出力および寿命の低下が防止される。
【００１７】
他方、本発明者の研究によると、従来のレーザー装置において、集光光学系を構成する光学部品の位置精度が低くなるという問題は、それらを半田によってパッケージあるいは固定部材に固定した場合に発生していることが判明した。すなわち、この半田による光学部品の固定は、それとパッケージあるいは固定部材との間に半田を配し、該半田を加熱して溶融させた後固化させることによってなされるが、半田が溶融した際に光学部品が僅かながら動いてしまうのである。
【００１８】
以上の知見に基づいて本発明のレーザー装置においては、パッケージあるいはそれに固定された固定部材に対して、集光光学系を構成する光学部品が薄層接着剤によって固定されているので、半田の溶融によって光学部品が動いてしまうことがなくなり、その位置精度が高く保たれる。
【００１９】
なお、半導体レーザーが固定される固定部材が、半田によってパッケージに固定されている場合には、この固定部材からパッケージへの放熱も良好になされるので、半導体レーザーの出力および寿命の低下を防止する効果がより顕著なものとなる。
【００２０】
また、集光光学系を構成する光学部品が固定される固定部材が半田によってパッケージに固定される場合は、その固定部材のパッケージに対する位置精度は、接着剤を用いる場合と比べて低くなりがちであると言える。しかし、この固定部材の位置精度が低くても、該固定部材に接着剤により光学部品を固定する際に、その光学部品と光ファイバーとの位置合わせを正確に行えばよいので、固定部材の位置精度が低いことは問題にならない。
【００２１】
また、本発明のレーザー装置において、固定部材にホルダが固定され、このホルダに集光光学系を構成する光学部品が固定される場合は、ホルダを固定部材に倣って動かして位置決めし、また光学部品をホルダに倣って動かして位置決めすることができるので、光学部品の位置決めが容易となる。そしてその場合、ホルダの固定および光学部品の固定がいずれも薄層接着剤によってなされれば、光学部品の位置決め精度が高いものとなる。
【００２２】
他方、本発明のレーザー装置において、半導体レーザーを含む複数の要素が半田によってパッケージ側に固定される場合に、それらの要素を各々固定する半田として互いに同じものが用いられれば、半田の調達や管理が容易化され、レーザー装置のコストダウンが可能となる。
【００２３】
しかしこの場合は、使用される半田の融点は当然どの半田も同じとなるから、半田を溶融させるときにパッケージを全体的に加熱すると、既にある要素を固定している半田が溶融して、その要素が動いてしまったり、あるいは剥がれてしまったりするおそれがある。したがってそのような場合、半田の溶融は、固定部分毎に局所的に行って、既に半田で固定されている部分に熱が伝わらないようにする必要がある。
【００２４】
それに対して、半導体レーザーを含む複数の要素を各々固定する半田として、融点が互いに異なるものが用いられる場合は、後述する本発明の方法を適用することにより、加熱作業をより簡単にすることができる。
【００２５】
一方、本発明によるレーザー装置の組立方法は、半田によって固定される要素を固定した後に、薄層接着剤によって固定される要素を固定するようにしたので、半田によって固定される要素の位置精度が低くなっていても、その後に薄層接着剤によって光学部品等を固定する際にその固定位置精度を高く保てば、最終的にその光学部品等の光ファイバーに対する位置精度を高く確保可能となる。
【００２６】
本発明によるレーザー装置の組立方法において、上述したように特に複数の要素を各々固定する半田として、融点が互いに異なるものが用いられる場合に、融点がより高い第１の半田を用いる固定作業が終了してから、融点がより低い第２の半田を用いる固定作業を、第１の半田の融点未満の温度で第２の半田を溶融させて行うようにすれば、第２の半田による固定作業をするときの熱が、既に第１の半田で固定されている部分に伝わっても、該第１の半田が溶融することはなくなる。したがってこの場合は、半田を溶融させるときにパッケージを全体的に加熱してもよく、加熱作業がより簡単なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
図１、図２および図３はそれぞれ、本発明の一実施形態である紫外光高輝度合波レーザー装置の平面形状、側面形状および部分正面形状を示すものである。図示の通りこの合波レーザー光源は、熱伝導性の高いヒートブロック10上に配列固定された一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７と、各ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７にそれぞれ対応するコリメートレンズ11，12，13，14，15，16および17が一体的に形成されてなるコリメートレンズアレイ18と、１つの集光レンズ20と、１本のマルチモード光ファイバー30とを有している。
【００２９】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、発振波長が例えば全て共通の405±5ｎｍであり、最大出力も全て共通の50〜300ｍＷである。なお本実施形態では、これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７としてシングルモードのものが用いられているが、マルチモードの半導体レーザーを適用することも可能である。
【００３０】
これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７から発散光状態で出射したレーザービームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７は、それぞれコリメートレンズアレイ18のコリメートレンズ11，12，13，14，15，16および17によって平行光化される。なお図３は、図２におけるＡ−Ａ線位置からこのコリメートレンズアレイ18側を見た状態を示している。
【００３１】
平行光とされたレーザービームＢ１〜７は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバー30のコア30ａの入射端面上で収束する。本例ではコリメートレンズ11〜17および集光レンズ20によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバー30とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザービームＢ１〜７がマルチモード光ファイバー30のコア30ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー30から出射する。なおマルチモード光ファイバー30としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００３２】
本実施形態において合波レーザー装置を構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ40内に収容され、このパッケージ40の上記開口がパッケージ蓋41によって閉じられることにより、該パッケージ40およびパッケージ蓋41が画成する閉空間内に密閉保持される。またマルチモード光ファイバー30の入射側の端部は、フェルール31に保持された上で、パッケージ40の側壁部に固定されている。
【００３３】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定され、このベース板42の上面に前記ヒートブロック10が取り付けられ、このヒートブロック10の上面10ａにＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が固定される一方、その前面10ｂに、コリメートレンズアレイ18を保持するコリメートレンズホルダ44が固定されている。さらに、ベース板42の上面にはレンズ固定台45が固定され、このレンズ固定台45の前面45ａに、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダ46が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に駆動電流を供給する配線類47は、パッケージ40の側壁部に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００３４】
図３に示されるようにコリメートレンズアレイ18の各コリメートレンズ11〜17は、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取った形とされたものであり、このようなコリメートレンズアレイ18は、例えば光学ガラスをモールド成形することによって形成される。そしてコリメートレンズ11〜17は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の発光点の並び方向（図３の左右方向）の開口径が該方向に直角な方向（図３の上下方向）の開口径よりも小さく形成されて、上記発光点の並び方向に密接配置されている。
【００３５】
一方ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７としては、発光幅が２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が一例としてそれぞれ10°、30°の状態で各々レーザービームＢ１〜７を発するものが用いられている。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００３６】
したがって、各発光点から発せられたレーザービームＢ１〜７は、上述のように細長い形状とされた各コリメートレンズ11〜17に対して、拡がり角最大の方向が開口径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細長い形状とされた各コリメートレンズ11〜17は、入射するレーザービームＢ１〜７の楕円形の断面形状に対応して、非有効部分を極力少なくして使用されることになる。本実施形態では具体的に、コリメートレンズ11〜17の有効開口径は水平方向、垂直方向で各々1.1ｍｍ、3.6ｍｍであり、それらに入射するレーザービームＢ１〜７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々0.9ｍｍ、2.6ｍｍである。またコリメートレンズ11〜17の各焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ（開口数）＝0.6、レンズ配置ピッチ＝1.2ｍｍである。
【００３７】
一方集光レンズ20は、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取って、コリメートレンズ11〜17の並び方向つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状とされている。そして該集光レンズ20の焦点距離ｆ２＝23.15ｍｍ、倍率＝7.7である。この集光レンズ20も、例えば光学ガラスをモールド成形することによって形成される。なお、この集光レンズ20およびコリメートレンズアレイ18は、ガラスの他、合成樹脂から形成することも可能である。
【００３８】
またマルチモード光ファイバー30としては、コア径＝60μｍ、ＮＡ＝0.23、端面コートの透過率＝99.5％、内部ロス＝98.5％のステップインデックス型のものが用いられている。
【００３９】
本実施形態の構成において、レーザービームＢ１〜７のマルチモード光ファイバー30への結合効率は0.9となる。したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の各出力が50〜300ｍＷのときには、出力0.315〜1.89Ｗ（＝50〜300ｍＷ×0.9×７）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４０】
以下、この合波レーザー装置を構成する要素の固定構造について詳しく説明する。なお、以下に説明する各要素の固定は、半田と有機接着剤のいずれかを用いてなされるものであり、図２において前者による接着部分には黒丸を付し、後者による接着部分には白丸を付してある。また、有機接着剤による固定は全て、後述するように接着対象の２つの面を密着させた状態で、両者間に接着剤を点着する形で行われる。そのようにすると、乾燥後の接着剤は２μｍ以下の膜厚となって薄層化する。
【００４１】
まずＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の固定は、以下の通りにしてなされる。ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、融点が280℃のＳｎ−Ａｕ半田を用いて、ヒートブロック10の上面10ａに実装される。このヒートブロック10は熱伝導性および研磨加工性に優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）から直方体状に形成されたものである。この実装に際しては、まずその融点より低い第１の温度に設定されたＳｎ−Ａｕ半田によって、ヒートブロック10の上面10ａにＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が１個ずつ仮固定される。全てのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が仮固定された後、リフロー炉において上記融点を超える第２の温度に昇温させてＳｎ−Ａｕ半田が溶融され、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が固定される。なお一例として上記第１の温度および第２の温度は、それぞれ150℃、330℃に設定される。
【００４２】
こうすることにより、全てのチップ状ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が実装完了するまでに、未実装部のＳｎ−Ａｕ半田が融点を超えてしまうことがなくなるので、半田の酸化を防止して、安定した高精度（例えば寸法誤差が±0.1μｍ程度）での実装が可能となる。
【００４３】
なお、チップ状ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、そのまま直接的にヒートブロック10に固定されてもよいし、あるいは、各半導体レーザーが個別のサブマウントに半田を用いて固定され、そのサブマウントが上述のようにしてヒートブロック10に固定されてもよい。
【００４４】
一方、マルチモード光ファイバー30の入射側の端部は、それを保持しているフェルール31がパッケージ40の側壁部に、例えば融点が220℃のＳｎ−3.5Ａｇ−0.5Ｃｕ半田を用いて固定される。この固定は、パッケージ40の側壁部に形成されたフェルール挿通用円孔の内周とフェルール31の外周との間に、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.5ＣｕからなるＣ型リング半田（円環状半田を２分割した形状）をはめ込み、局所加熱によりそのＣ型リング半田を溶融封止させて行われる。このときマルチモード光ファイバー30は、そのコア軸が、ヒートブロック10の前面10ｂに対して高精度で直角となる状態に固定される。なお、このＣ型リング半田の加熱による酸化を防止するためには、Ｎ2アシストガスの吹きかけにより低酸素雰囲気を作って加熱を行えばよい。
【００４５】
次に、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が実装されているヒートブロック10がベース板42上に固定される。ヒートブロック10の下面は金蒸着によってメタライズされ、その下面が、Ａｕメッキを施したベース板42上に、例えば融点が117℃のＳｎ48−Ｉｎ52半田を用いて固定される。ベース板42は例えばＣｕＷ、ＣｕＭｏ、Kovar等から形成されて、パッケージ40の底面に固定されている。
【００４６】
なお直方体状のヒートブロック10は、その前面10ｂがベース板42に対して高精度で直角となる状態に固定される。またこの前面10ｂは鏡面仕上げされて、コリメートレンズホルダ44が固定される取付面とされるとともに、後述する参照面とされている。
【００４７】
以上のようにヒートブロック10をベース板42上に固定する際、Ｓｎ48−Ｉｎ52半田は、その融点117℃よりやや高くて、Ｓｎ−Ａｕ半田の融点280℃およびＳｎ−3.5Ａｇ−0.5Ｃｕ半田の融点220℃よりも低い、例えば150℃に加熱して溶融される。そのようにすれば、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７を固定しているＳｎ−Ａｕ半田が溶融したり、あるいはフェルール31を固定しているＳｎ−3.5Ａｇ−0.5Ｃｕ半田が溶融することがないので、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７およびフェルール31の固定は確実に維持される。
【００４８】
次に、コリメートレンズアレイ18およびコリメートレンズホルダ44等の固定構造を説明する。本合波レーザー装置においては、レーザービームＢ１〜７のマルチモード光ファイバー30への結合効率を高く確保する上で、コリメートレンズアレイ18および集光レンズ20は、光軸がマルチモード光ファイバー30のコア軸（入射端におけるコア軸。以下同様）と正確に平行になった状態で固定されなければならない。以下、その点について説明する。
【００４９】
コリメートレンズホルダ44の接着固定に先立って、図４に示すようにレーザーオートコリメーター50と、ベース板42の上に載置されたミラー51とを用いて、ヒートブロック10の取付面および参照面である前面10ｂの、基準方向に対する角度が測定される。本実施形態では、レーザーオートコリメーター50から発せられたレーザービームＢｒをミラー51で反射させることにより進行方向を90°変え、ヒートブロック前面10ｂに垂直入射させるようにしており、ミラー51で反射後のレーザービームＢｒの進行方向ｚが上記基準方向とされる。
【００５０】
レーザーオートコリメーター50は、ヒートブロック前面10ｂで反射し、ミラー51で再反射して戻って来たレーザービームＢｒを受光して、基準方向ｚに対するヒートブロック前面10ｂの角度を測定する。この角度は、基準方向ｚに対して直角で互いも直角なｘ軸、ｙ軸周りの各傾き角θx、θyで規定される。すなわち、例えば基準方向ｚに対してヒートブロック前面10ｂが完全に直角になっている場合は、傾き角θx＝θy＝０°となる。なおｙ軸方向は、レーザーオートコリメーター50から発せられて下方に向かうレーザービームＢｒの進行方向と同じである。この測定された傾き角θx、θyは記録用紙等に記録されたり、あるいは記憶手段に記憶される。
【００５１】
次に図５に示すように、例えばコリメートレンズホルダ44を把持する把持部52ａを有するメカニカルハンド52を用いて、接着面であるその後面44ａがヒートブロック前面10ｂに軽く当接する状態にコリメートレンズホルダ44が保持される。なおメカニカルハンド52としては、例えば把持部52ａを３軸方向に平行移動、かつ３軸周りに回転移動させることができる６軸のものが用いられる。コリメートレンズホルダ後面44ａをヒートブロック前面10ｂに当接させる力は、例えばメカニカルハンド52の中に組み込んだロードセル等を利用して、所定の値に維持することができる。
【００５２】
また、上述のようにコリメートレンズホルダ44を保持させるに当たっては、参照面としてのその前面44ｂの基準方向ｚに対する角度が継続的に測定される。この角度測定はヒートブロック前面10ｂの角度測定と同様にしてなされ、また測定角度も同様に前述の傾き角θx、θyで規定される。
【００５３】
このときメカニカルハンド52は、継続的に測定されている傾き角θx、θyが、前述のヒートブロック前面10ｂについて測定された傾き角θx、θyと各々一致し、かつコリメートレンズホルダ44をｘ、ｙ方向の所定位置に配するように操作され、その状態になったところでメカニカルハンド52が停止される。次に、ヒートブロック前面10ｂとそれに軽く当接しているコリメートレンズホルダ44の後面44ａとの間に接着剤が点着され、それを硬化させることによって、コリメートレンズホルダ44がヒートブロック前面10ｂに接着固定される。
【００５４】
なおコリメートレンズホルダ44を上述のようにｘ、ｙ方向の所定位置に配するためには、その後面44ａをヒートブロック前面10ａの上で滑らせながら位置規定すればよいので、作業は容易になされ得る。
【００５５】
ここでコリメートレンズホルダ44は、その後面44ａと前面44ｂとが互いに高精度（誤差±15″程度）で平行となるように形成されている。そうであれば、上述のようにコリメートレンズホルダ44の前面44ｂについて測定されている傾き角θx、θyが、ヒートブロック前面10ｂについて測定された傾き角θx、θyと各々一致しているということは、後面44ａがヒートブロック前面10ｂに対して平行になっていることを意味する。したがって、その状態を保ちながらコリメートレンズホルダ44をヒートブロック前面10ｂに接着固定すれば、後面44ａがヒートブロック前面10ｂと高精度で平行になった状態でコリメートレンズホルダ44が固定される。
【００５６】
またこのとき、予め精密測定されているコリメートレンズホルダ44の外形寸法に基づいてメカニカルハンド52の動作が制御されて、該コリメートレンズホルダ44のｚ軸周りの角度位置が所定位置に設定され、それにより該コリメートレンズホルダ44は、その上面44ｃがベース板42に対して高精度で平行となる状態で固定される。
【００５７】
なお、上に数値を挙げたコリメートレンズホルダ44の後面44ａと前面44ｂとの平行度は、それらの面を研磨加工することにより容易に実現可能である。
【００５８】
また上記接着剤としては一例として紫外線硬化型の有機接着剤が用いられるが、前述の通りコリメートレンズホルダ44は紫外線透過性のガラスから形成されているので、硬化用の紫外線はこのコリメートレンズホルダ44を透過して、接着剤に十分照射されるようになる。
【００５９】
その後メカニカルハンド52は、把持部52ａをパッケージ40の外に退避させるように操作される。次に図６に示すように再度レーザーオートコリメーター50を用いて、固定されたコリメートレンズホルダ44の上面44ｃの、基準方向に対する角度が測定される。この場合の基準方向は、レーザーオートコリメーター50から発せられて下方に向かうレーザービームＢｒの進行方向（これは図４、５におけるものと同じである）とされる。つまりここでは、基準方向ｙに対するコリメートレンズホルダ上面44ｃの角度は、ｘ軸、ｚ軸周りの各傾き角φx、φzで規定される。すなわち、例えば基準方向ｙに対してコリメートレンズホルダ上面44ｃが完全に直角になっている場合は、傾き角φx＝φz＝０°となる。この測定された傾き角φx、φzは記録用紙等に記録されたり、あるいは記憶手段に記憶される。
【００６０】
次に図７に示すように、再度メカニカルハンド52を用いてコリメートレンズアレイ18が、その下面（接着面）18ａがコリメートレンズホルダ44の上面44ｃに軽く当接する状態に保持される。このようにコリメートレンズアレイ18を保持させるに当たっては、その上面18ｂの基準方向ｙに対する角度が継続的に測定される。この角度測定はコリメートレンズホルダ上面44ｃの角度測定と同様にしてなされ、測定角度も同様に前述の傾き角φx、φzで規定される。
【００６１】
このときメカニカルハンド52は、継続的に測定されている傾き角φx、φzが、コリメートレンズホルダ上面44ｃについて測定された傾き角φx、φzと各々一致し、かつコリメートレンズアレイ18をｘ、ｚ方向所定位置に配するように操作され、その状態になったところでメカニカルハンド52が停止される。次に、コリメートレンズホルダ上面44ｃとそれに軽く当接しているコリメートレンズアレイ18の下面18ａとの間に接着剤が点着され、それを硬化させることによって、コリメートレンズアレイ18がコリメートレンズホルダ上面44ｃに接着固定される。
【００６２】
なおコリメートレンズアレイ18を上述のようにｘ、ｚ方向所定位置に配するためには、その下面18ａをコリメートレンズホルダ上面44ｃの上で滑らせながら位置規定すればよいので、作業は容易になされ得る。
【００６３】
ここでコリメートレンズアレイ18は、その下面18ａと上面18ｂとが互いに高精度で平行となるように形成されている。そうであれば、上述のようにコリメートレンズアレイ18の上面18ｂについて測定されている傾き角φx、φzが、コリメートレンズホルダ上面44ｃについて測定された傾き角φx、φzと各々一致しているということは、下面18ａが、コリメートレンズホルダ上面44ｃに対して平行になっていることを意味する。したがって、その状態を保ってコリメートレンズアレイ18をコリメートレンズホルダ上面44ｃに接着固定すれば、下面18ａがコリメートレンズホルダ上面44ｃと高精度で平行になった状態でコリメートレンズアレイ18が固定される。
【００６４】
またこのとき、例えばコリメートレンズアレイ18の外形寸法に基づいてメカニカルハンド52の動作が制御されて、該コリメートレンズアレイ18のｙ軸周りの角度位置が所定位置に設定され、それにより、該コリメートレンズアレイ18はコリメートレンズ11〜17の光軸がマルチモード光ファイバー30のコア軸と平行になる状態で固定される。
【００６５】
上述のようにメカニカルハンド52の動作を制御して、コリメートレンズアレイ18のｙ軸周りの角度位置や、コリメートレンズホルダ44のｚ軸周りの角度位置を所定位置に設定しても、それだけでは、各部材の面合わせを精度良く行うことは困難であり、その点に鑑みて本実施形態では、参照面を利用した面合わせを採用しているものである。
【００６６】
なおコリメートレンズアレイ18を高精度モールド加工することにより、その下面18ａと上面18ｂとの平行度を、誤差±15″程度の高精度にすることができる。したがって、上面18ｂを参照面とした角度測定により、最大誤差30″で、下面18ａをコリメートレンズホルダ上面44ｃと平行に位置合わせすることができる。なお、コリメートレンズアレイ18の下面18ａおよび上面18ｂのレンズ並び方向に対する平行度も、誤差±15″程度と高精度にすることができる。
【００６７】
また上記接着剤としては一例として紫外線硬化型の有機接着剤が用いられるが、前述の通りコリメートレンズホルダ44は紫外線透過性のガラスから形成され、またコリメートレンズアレイ18も同様であるので、硬化用の紫外線はコリメートレンズホルダ44およびコリメートレンズアレイ18を透過して、接着剤に十分照射されるようになる。
【００６８】
以上の通りにしてコリメートレンズホルダ44がヒートブロック10に、そしてコリメートレンズアレイ18がコリメートレンズホルダ44に接着固定されれば、コリメートレンズアレイ18は、その各コリメートレンズ11〜17の光軸がマルチモード光ファイバー30のコア軸と高精度で平行になった状態で固定されるようになる。
【００６９】
なお以上説明した構造においては、ヒートブロック10およびコリメートレンズホルダ44が、本発明における固定部材に相当する。
【００７０】
次に図２に戻って、集光レンズ20および集光レンズホルダ46等の固定構造について説明する。集光レンズホルダ46を固定するレンズ固定台45は、ヒートブロック10と同様にＡｌＮを用いて直方体状に形成され、下面は金蒸着によってメタライズされ、その下面が、Ａｕメッキを施したベース板42上に、例えば融点が117℃のＳｎ48−Ｉｎ52半田を用いて固定される。このときレンズ固定台45は、その前面45ａがヒートブロック10の前面10ｂと平行となる状態に固定される。そのためには、図５に示したレーザーオートコリメーター50およびメカニカルハンド52を用いて、コリメートレンズホルダ44の前面44ｂをヒートブロック前面10ｂと平行にした手法を適用することも可能である。
【００７１】
上述のように固定されたレンズ固定台45に対してまず集光レンズホルダ46が接着固定され、次いでその上面46ｃに集光レンズ20が接着固定される。集光レンズホルダ46は例えば紫外線透過性のガラスから直方体状に形成されたものであり、それをレンズ固定台45の前面45ａに接着固定するに当たっては、前述したコリメートレンズホルダ44をヒートブロック10の前面10ｂに接着固定した際の手法を同様に適用することができる。すなわちこの場合は、集光レンズホルダ46の前面46ｂが参照面として利用され、接着面となる後面46ａがレンズ固定台前面45ａと高精度で平行となる状態に該集光レンズホルダ46が接着固定される。
【００７２】
なお、上記集光レンズホルダ46の後面46ａと前面46ｂとの平行度は、誤差±15″程度とすることができる。そのような高精度の平行度は、後面46ａおよび前面46ｂを研磨加工することによって実現可能である。
【００７３】
次に、接着固定された集光レンズホルダ46の上面46ｃに、集光レンズ20が接着固定される。この集光レンズ20は、前述した通り水平方向に長い形状とされたものであるが、集光レンズホルダ46への接着面となる下面20ａと、参照面となる上面20ｂとが高精度で互いに平行となるように形成されている。この集光レンズ20を集光レンズホルダ上面46ｃに接着するに当たっては、前述したコリメートレンズアレイ18をコリメートレンズホルダ44の上面44ｃに接着固定した際の手法を同様に適用することができる。すなわちこの場合は、集光レンズ20の上面20ｂが参照面として利用され、接着面である下面20ａが集光レンズホルダ46の上面46ｃと高精度で平行となる状態に該集光レンズ20が接着固定される。
【００７４】
なお集光レンズ20の下面20ａと上面20ｂとの平行度は、誤差±15″程度とすることができる。そのような高精度の平行度は、下面20ａおよび上面20ｂを研磨加工することによって実現可能である。また、参照面とされる集光レンズ20の上面20ｂと光軸との平行度も、誤差±15″程度とすることができる。
【００７５】
以上説明した構造においては、レンズ固定台45および集光レンズホルダ46が、本発明における固定部材に相当する。
【００７６】
以上の通りにして集光レンズ20は、その光軸がマルチモード光ファイバー30のコア軸と高精度で一致した状態で、集光レンズホルダ46に固定されるようになる。そして、それに加えてコリメートレンズアレイ18も、前述したように各コリメートレンズ11〜17の光軸がマルチモード光ファイバー30のコア軸と高精度で平行になった状態で固定されているので、レーザービームＢ１〜７のマルチモード光ファイバー30への結合効率が高く確保される。
【００７７】
また本実施形態の合波レーザー装置においては、ヒートブロック10に対して、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７がＳｎ−Ａｕ半田によって固定されているので、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が発する熱は、熱伝導性の高いＳｎ−Ａｕ半田を介して良好にヒートブロック10に放熱されるようになる。そうであれば、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が放熱不良のために高温で駆動されることがなくなって、その出力および寿命の低下が防止される。さらに本実施形態では、ヒートブロック10がＳｎ48−Ｉｎ52半田によってベース板42に固定されているので、ヒートブロック10からベース板42への放熱も良好になされ、よって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の出力および寿命の低下を防止する効果がより顕著なものとなる。
【００７８】
また、本実施形態の合波レーザー装置においては、集光光学系を構成するコリメーターレンズアレイ18、集光レンズ20がそれぞれコリメートレンズホルダ44、集光レンズホルダ46に対して薄層接着剤によって固定されているので、半田による固定の場合と異なって、半田の溶融によりコリメーターレンズアレイ18、集光レンズ20が動いてしまうようなことがなくなり、その位置精度が高く保たれる。これは、同じく薄層接着剤によってそれぞれヒートブロック10、レンズ固定台45に固定されるコリメートレンズホルダ44、集光レンズホルダ46に関しても言えることである。
【００７９】
なお、Ｓｎ48−Ｉｎ52半田によってパッケージ40のベース板42に固定されるヒートブロック10、レンズ固定台45のパッケージ40に対する位置精度は、接着剤を用いる場合と比べて低くなりがちであると言える。しかし、これらのヒートブロック10、レンズ固定台45の位置精度が低くても、それらに対して各々コリメートレンズホルダ44、集光レンズホルダ46を接着固定する際の位置合わせを正確に行うとともに、コリメートレンズホルダ44、集光レンズホルダ46に各々コリメーターレンズアレイ18、集光レンズ20を接着固定する際の位置合わせを正確に行えば、コリメーターレンズアレイ18および集光レンズ20のマルチモード光ファイバー30に対する位置精度を高く確保できる。
【００８０】
また本実施形態においては、ヒートブロック10およびレンズ固定台45をベース板42に固定する半田として、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７を固定するＳｎ−Ａｕ半田の融点（280℃）およびフェルール31を固定するＳｎ−3.5Ａｇ−0.5Ｃｕ半田の融点（220℃）よりも低い融点（117℃）を持つＳｎ48−Ｉｎ52半田を用い、それを280℃および220℃よりも低い温度に加熱して溶融させるようにしているので、この溶融時に上記Ｓｎ−Ａｕ半田やＳｎ−3.5Ａｇ−0.5Ｃｕ半田に熱が伝わったとしても、それらが溶融してＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７やフェルール31が動いてしまうことはない。このように、ヒートブロック10およびレンズ固定台45をベース板42に固定する際には、Ｓｎ48−Ｉｎ52半田を溶融させる熱がパッケージ40全体に伝わっても問題ないので、半田溶融のための加熱作業は簡単なものとなる。
【００８１】
しかし本発明においては、時間をずらして使用される半田として、互いに同じものが用いられても構わない。ただし、その場合の半田の溶融は、前述した通り固定部分毎に局所的に行って、既に半田で固定されている部分に熱が伝わらないようにする必要がある。そしてその場合は、半田の調達や管理が容易化されるという効果が得られる。
【００８２】
また本実施形態においては、マルチモード光ファイバー30のコア軸と直角な方向に延びるガイド面としての前面10ｂを備えたヒートブロック10および、光ファイバー30のコア軸方向に延びるガイド面としての上面44ｃを備えたコリメートレンズホルダ44からコリメートレンズアレイ18の固定部材を構成しているので、コリメートレンズアレイ18の固定時に、コリメートレンズホルダ44を上記ヒートブロック前面10ｂに沿ってコア軸と直角な方向に移動させ、またコリメートレンズアレイ18を上記コリメートレンズホルダ上面44ｃに沿ってコア軸方向に移動させることにより、該コリメートレンズアレイ18を上記コア軸に対して容易に位置決めすることができる。
【００８３】
また本実施形態においては、マルチモード光ファイバー30のコア軸と直角な方向に沿って延びるガイド面としての前面45ａを備えたレンズ固定台45および、光ファイバー30のコア軸方向に延びるガイド面としての上面46ｃを備えた集光レンズホルダ46から集光レンズ20の固定部材を構成しているので、集光レンズ20の固定時に、集光レンズホルダ46を上記レンズ固定台前面45ａに沿ってコア軸と直角な方向に移動させ、また集光レンズ20を上記集光レンズホルダ上面46ｃに沿ってコア軸方向に移動させることにより、該集光レンズ20を上記コア軸に対して容易に位置決めすることができる。
【００８４】
以上述べたようにして、集光光学系を構成するコリメートレンズアレイ18および集光レンズ20をマルチモード光ファイバー30のコア軸に対して最適位置に位置決めできるので、マルチモード光ファイバー30の方は、前述したようにフェルール31を介してパッケージ40の側壁部に単に固定しておけばよい。このように、マルチモード光ファイバー30を位置合わせするための機構をパッケージ40に設ける必要がないので、本実施形態の合波レーザー装置は小型に形成され得るものとなる。
【００８５】
なおマルチモード光ファイバー30は、フェルール31を介さずに、直接パッケージ40の側壁部に固定しても構わない。
【００８６】
また、以上説明のように合波レーザー装置を組み立てる場合の他、組立てが完了した合波レーザー装置において良品、不良品の判定のためにコリメートレンズアレイ18や集光レンズ20等の傾きを測定する場合に、各参照面を利用してコリメートレンズアレイ18や集光レンズ20等の傾きを測定することも可能である。さらには、組立て完了後の合波レーザー装置を分解して再度組み立てる場合に、同様に各参照面を利用してコリメートレンズアレイ18や集光レンズ20等の傾きを測定することも可能である
また、基準方向に対する角度が測定される参照面となるヒートブロック10の前面10ｂ、コリメートレンズホルダ44の前面44ｂと上面44ｃ、コリメートレンズアレイ18の上面18ｂ、レンズ固定台45の前面45ａ、集光レンズホルダ46の前面46ｂと上面46ｃ、および集光レンズ20の上面20ｂは、レーザーオートコリメーター50から発せられたレーザービームＢｒを散乱させずに良好に反射させるために、面粗さＲａが0.08μｍ未満の鏡面に仕上げされることが望ましい。参照面がこの程度の面粗さＲａになっている場合は、一般に誤差±５″程度の精度で、基準方向に対する角度を測定可能である。
【００８７】
他方、上述のような参照面と接着される接着面、すなわち具体的に挙げればコリメートレンズホルダ44の後面44ａ、コリメートレンズアレイ18の下面18ａ、集光レンズホルダ46の後面46ａ、および集光レンズ20の下面20ａは、参照面との間に接着剤を良好に浸透させるために、参照面よりも粗く形成されるのが好ましい。例えば参照面の面粗さＲａが上述のように0.08μｍ未満とされる場合、接着面の面粗さＲａは0.15μｍ以上0.35μｍ以下の範囲にあることが望ましい。なお面粗さＲａは、例えば触針式粗さ測定器で測定することができる。
【００８８】
また本実施形態では、固定手段の取付面と参照面とは互いに平行に設定されているが、それに限らず、取付面に対して参照面が所定角度、例えば90°をなすように設定しておいても構わない。これは、接着部品の接着面と参照面についても同様である。
【００８９】
また、コリメートレンズホルダ44に用いるガラスは、装置の使用時や保管時に受ける温度変化によってヒートブロック10との接着部に発生する熱応力を低減するために、このヒートブロック10の材料であるＡｌＮと線膨張係数が近いものを用いることが望ましい。同様に、コリメートレンズアレイ18に用いるガラスは、コリメートレンズホルダ44の材料のガラスと線膨張係数が近いものを用いることが望ましい。これは、レンズ固定台45、集光レンズホルダ46および集光レンズ20との間にも言えることである。
【００９０】
また以上説明した実施形態では、ヒートブロック10およびレンズ固定台45の材料としてＡｌＮが用いられているが、この材料としてはその他にＣｕやＣｕ合金も好適に用いることができる。さらに、これらのヒートブロック10およびレンズ固定台45は、一体的に形成されても構わない。
【００９１】
また以上説明した実施形態では、コリメートレンズアレイ18と集光レンズ20とが採用されているが、例えば前記特許文献１に示されるように、それら両者の機能を合わせ持つ１つの集光レンズを採用した合波レーザー装置も提案されており、本発明はそのような集光レンズを用いるレーザー装置に対しても同様に適用可能である。
【００９２】
また以上説明した実施形態では、パッケージ40の底面に固定されたベース板42の上面にヒートブロック10およびレンズ固定台45が取り付けられているが、図８および図９に示す実施形態のようにベース板42は省いて、パッケージ40の底面上に直接ヒートブロック10およびレンズ固定台45を固定しても構わない。
【００９３】
さらに、以上は合波レーザー光源として構成された実施形態について説明したが、本発明はそれに限らず、１つの半導体レーザーから発せられた１本のレーザービームを集光して光ファイバーに結合させるように構成されたレーザー装置に対しても同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の一実施形態による合波レーザー装置の一部破断平面図
【図２】上記合波レーザー装置の一部破断側面図
【図３】上記合波レーザー装置の部分正面図
【図４】上記合波レーザー装置の組立方法を説明する図
【図５】上記合波レーザー装置の組立方法を説明する図
【図６】上記合波レーザー装置の組立方法を説明する図
【図７】上記合波レーザー装置の組立方法を説明する図
【図８】本発明の別の実施形態による合波レーザー装置の一部破断平面図
【図９】図８の合波レーザー装置の一部破断側面図
【符号の説明】
【００９５】
10    ヒートブロック
11〜17    コリメートレンズ
18    コリメートレンズアレイ
20    集光レンズ
30    マルチモード光ファイバー
40    パッケージ
41    パッケージ蓋
42    ベース板
44    コリメートレンズホルダ
45    レンズ固定台
46    集光レンズホルダ
50    レーザーオートコリメーター
52    メカニカルハンド
ＬＤ１〜７    ＧａＮ系半導体レーザー
Ｂ１〜７    レーザービーム
Ｂ    合波されたレーザービーム
【図１】
2006301597.tif 000003
【図２】
2006301597.tif 000004
【図３】
2006301597.tif 000005
【図４】
2006301597.tif 000006
【図５】
2006301597.tif 000007
【図６】
2006301597.tif 000008
【図７】
2006301597.tif 000009
【図８】
2006301597.tif 000010
【図９】
2006301597.tif 000011