(57)【要約】【課題】レーザビームの干渉を減少させて、ガスの検出の感度を改善するレーザダイオード装置の提供。【解決手段】ガス検出に用いるレーザダイオード装置１は、電気的結合部３、底部４及びウィンドウ５を有した密閉されたケーシング２を備えている。レーザダイオードチップ６及び該チップの温度制御部９、１２はケーシング２内に装着されている。温度制御部の一部であるペルチエ素子としての熱電素子１２は、底面１３を介してケーシング２の底部４に結合され且つ上面１１を介してレーザダイオードチップ６に結合されている。ダイオードチップ６とウィンドウ５の間に装着されて温度制御されたビーム形成部材１４は、レーザダイオードチップ６の開口から放射されたレーザビーム７がウィンドウ５を通過する前にレーザビーム７を平行に調光する。レーザダイオードチップ６に接触しているビーム形成部材１４は、その境界面１６を介して開口８と面接触又は接着されるか、又は開口８と一体に形成されることが好ましい。【選択図】図１
2011101003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的結合部（３）を有する底部（４）及びウィンドウ（５）を備えた密閉されたケーシング（２）と、ケーシング（２）内に装着されたレーザダイオードチップ（６）及び該チップの温度制御部（９、１２）と、ダイオードチップ（６）とウィンドウ（５）の間に装着されてレーザダイオードチップ（６）の開口（８）から放射されたレーザビーム（７）がウィンドウ（５）を通過する前にレーザビーム（７）を平行に調光するビーム形成部材（１４）とを備えた、ガス検出に用いるレーザダイオード装置であって、
ウィンドウ（５）により反射されて戻る一部の調光されたレーザビーム（７）が開口（８）から外れるように、ケーシング（２）のウィンドウ（５）はレーザビーム（７）の中心軸に対して傾斜しており、
ビーム形成部材（１４）は、レーザダイオードチップ（６）と物理的に接触して一定の温度条件に保持されていることを特徴とするレーザダイオード装置。
【請求項２】
ビーム形成部材（１４）は、レーザダイオードチップ（６）の開口（８）に装着されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード装置。
【請求項３】
ビーム形成部材（１４）は、別の部品として製造され、接着剤層（１５）により開口（８）に接着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザダイオード装置。
【請求項４】
ビーム形成部材（１４）は、一定の屈折率を有する球形、ドーム状又は棹状のマイクロ凸レンズであるか、又は屈折率が変化していく円筒状の屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項５】
接着剤層（１５）は、膠、ゼリー又は液体であり、ビーム形成部材（１４）と同一の屈折率を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のレーザダイオード装置。
【請求項６】
ビーム形成部材（１４）は、高分子、ゾル−ゲル、又は液状の材料をレーザダイオードチップ（６）の開口に直に塗布して作成したマイクロレンズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザダイオード装置。
【請求項７】
ビーム形成部材（１４）は、レーザダイオードチップ（６）の一部として形成された回折素子又はレンズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザダイオード装置。
【請求項８】
ビーム形成部材（１４）は、凸レンズであり、ビーム形成部材（１４）の光軸は開口（８）の中心軸より偏心していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項９】
ビーム形成部材（１４）は、屈折率分布型レンズであり、ビーム形成部材（１４）の開口（８）から離れた側の境界面（１７）が傾斜していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項１０】
ウィンドウ（５）が反射防止膜（１９）を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項１１】
レーザダイオードチップ（６）の開口（８）はビーム形成部材（１４）の焦点に位置し、且つ／又はビーム形成部材（１４）の境界面（１６）及びレーザダイオードチップ（６）の開口（８）は同じ形状及び大きさであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項１２】
前記温度制御部は感温素子（９）及び熱電素子（１２）を含み、熱電素子（１２）の底面（１３）はケーシング（２）の底部（４）に結合され、熱電素子（１２）のウィンドウ（５）に対向する上面（１１）に感温素子（９）が備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項１３】
ウィンドウ（５）の傾斜角度は、レーザビーム（７）の偏光ベクトルと所定の関係を有し、ビーム形成部材（１４）に面するウィンドウ（５）の内側表面（１８）に入射するレーザビーム（７）はブルースターの法則に従って透過及び反射されることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【請求項１４】
電気的結合部（３）、底部（４）及びウィンドウ（５）を有する密閉されたケーシング（２）と、ケーシング（２）内に装着されたレーザダイオードチップ（６）及び該チップの温度制御部（９、１２）とを備えたレーザダイオード装置（１）より発するレーザビーム（７）を用いてガスを検出する方法であって、
レーザダイオードチップ（６）により放射されたレーザビーム（７）は、ウィンドウ（５）を通過する前にビーム形成部材（１４）により平行に調光され、
ウィンドウ（５）により反射されて戻る一部の調光されたレーザビーム（７）がレーザダイオードチップ（６）の開口（８）を外れるように、調光されたレーザビーム（７）はウィンドウ（５）に対して所定の角度で入射させ、
ビーム形成部材（１４）は、レーザダイオードチップ（６）に対して一定の温度条件に保持されることを特徴とするガス検出方法。
【請求項１５】
ビーム形成部材（１４）は、レーザダイオードチップ（６）の開口（８）上にレーザダイオードチップ（６）に接して装着されるか又は形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気結合部を有する底部とウィンドウを備えた密閉されたケーシング、ケーシング内に装着されたレーザダイオードチップ及び該チップの温度制御部、並びにダイオードチップとウィンドウの間に装着されてレーザダイオードチップの開口から放射されたレーザビームがウィンドウを通過する前にレーザビームを平行に調光するビーム形成部材を備えた、特にガス検出に用いるレーザダイオード装置並びに該レーザダイオード装置を用いたガス検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
安全、快適及び環境保護の分野において広く用いられているガスセンサは、費用効果、信頼性及び感度の高いものが要望されている。従来のガスセンサでは、ガスの吸収スペクトルを用いてガスを検出することが多い。この場合、単一のガス又は混合ガスに向けて、例えば、ガスに強く吸収される波長を有するレーザビームなどの光ビームを通過させている。光ビームの吸収度に応じてガス濃度が算定される。スペクトルが単一モードのレーザダイオードがガス検出に適しており、今日では、１００℃の温度でも作動するレーザダイオードが製造されている。
【０００３】
特許文献１には、単一モードの分布帰還（ＤＦＢ）レーザダイオードを用いて、作動温度により波長が変化することを利用して、測定すべきガスのスペクトルに同調させ、そのスペクトルを捕捉及び／又は走査して、ガスの特徴的なスペクトル線を検出してガス濃度を算定する方法が開示されている。一般的な測定法においては、熱電冷却器（ペルチエ素子）によりレーザの作動温度を一定に保ち、レーザダイオードの作動電圧を変化させて波長の調整を行っている。特に、調整可能なレーザガス検出では、放射光の干渉が最小限に抑え高い検出感度が要求される。レーザダイオードのケーシングの内面、ウィンドウの内面又は外面の反射、時には他の構成部品の表面の反射により、このような干渉が引き起こされる。
【０００４】
レーザ光吸収分光法では、レーザダイオードからの放射光は、ガスの存在する測定域を通過した後に、ホトダイオード、感熱センサなどの検出器により受信され、受信信号は信号解析装置に送られる。不変の干渉パターンは、解析装置により受信信号から問題なく分離される。それに対して、変動する干渉パターンは完全には除去できないので、検出器の雑音が著しく増大し、ガスの検出感度が低下する。ケーシング内のレーザダイオードへの温度変化が、変動する干渉パターンを引き起こし、その温度変化によりレーザダイオードのケーシング内の光路長が変動する。例えば、レーザ光を平行に調光するために、ケーシングの底部に装着されたレーザダイオードチップとウィンドウの間に、マイクロレンズを配置した場合には、レーザダイオードチップの開口から放射されたレーザ光はマイクロレンズの表面でも反射される。ケーシングのウィンドウによる反射と同様に、マイクロレンズによる反射も干渉を引き起こし、これらの干渉パターンが重なり合う。マイクロレンズの反射による干渉パターンも温度に影響され、ガス検出の分解能が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許発明第１９７１７１４５Ｃ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するために、密閉されたケーシング内のレーザダイオードから放射されたレーザビームの干渉を避けるか又は著しく減少させて、ガス検出器の感度を改善する方法を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、下記のように構成した装置及びその装置を用いたガス検出方法により解決される。
【０００８】
（１）電気的結合部を有する底部及びウィンドウを備えた密閉されたケーシングと、前記ケーシング内に装着されたレーザダイオードチップ及び該チップの温度制御部と、前記ダイオードチップと前記ウィンドウの間に装着されて前記レーザダイオードチップの開口から放射されたレーザビームが前記ウィンドウを通過する前に前記レーザビームを平行に調光するビーム形成部材とを備えた、ガス検出に用いるレーザダイオード装置であって、前記ウィンドウにより反射されて戻る一部の調光された前記レーザビームが前記開口から外れるように、前記ケーシングの前記ウィンドウは前記レーザビームの中心軸に対して傾斜しており、前記ビーム形成部材は、前記レーザダイオードチップと物理的に接触して一定の温度条件に保持されていることを特徴とするレーザダイオード装置。
【０００９】
（２）前記ビーム形成部材は、前記レーザダイオードチップの開口に装着されていることを特徴とする前記（１）に記載のレーザダイオード装置。
【００１０】
（３）前記ビーム形成部材は、別の部品として製造され、接着剤層により前記開口に接着されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のレーザダイオード装置。
【００１１】
（４）前記ビーム形成部材は、一定の屈折率を有する球形、ドーム状又は棹状のマイクロ凸レンズであるか、又は屈折率が変化していく円筒状の屈折率分布型レンズであることを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００１２】
（５）前記接着剤層は、膠、ゼリー又は液体であり、前記ビーム形成部材と同一の屈折率を有することを特徴とする前記（３）又は（４）に記載のレーザダイオード装置。
【００１３】
（６）前記ビーム形成部材は、高分子、ゾル−ゲル、又は液状の材料を前記レーザダイオードチップの開口に直に塗布して作成したマイクロレンズであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のレーザダイオード装置。
【００１４】
（７）前記ビーム形成部材は、前記レーザダイオードチップの一部として形成された回折素子又はレンズであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のレーザダイオード装置。
【００１５】
（８）前記ビーム形成部材は、凸レンズであり、前記ビーム形成部材の光軸は前記開口の中心軸より偏心していることを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００１６】
（９）前記ビーム形成部材は、屈折率分布型レンズであり、前記ビーム形成部材の開口から離れた側の境界面が傾斜していることを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００１７】
（１０）前記ウィンドウが反射防止膜を有していることを特徴とする前記（１）ないし（９）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００１８】
（１１）前記レーザダイオードチップの開口は前記ビーム形成部材の焦点に位置し、且つ／又は前記ビーム形成部材の境界面及び前記レーザダイオードチップの前記開口は同じ形状及び大きさであることを特徴とする前記（１）ないし（１０）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００１９】
（１２）前記温度制御部は感温素子及び熱電素子を含み、前記熱電素子の底面は前記ケーシングの底部に結合され、前記熱電素子の前記ウィンドウに対向する上面に前記感温素子が備えられていることを特徴とする前記（１）ないし（１１）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００２０】
（１３）前記ウィンドウの傾斜角度は、前記レーザビームの偏光ベクトルと所定の関係を有し、前記ビーム形成部材に面する前記ウィンドウの内側表面に入射する前記レーザビームはブルースターの法則に従って透過及び反射されることを特徴とする前記（１）ないし（１２）のいずれか１項に記載のレーザダイオード装置。
【００２１】
（１４）電気的結合部、底部及びウィンドウを有する密閉されたケーシングと、前記ケーシング内に装着されたレーザダイオードチップ及び該チップの温度制御部とを備えたレーザダイオード装置より発するレーザビームを用いてガスを検出する方法であって、前記レーザダイオードチップにより放射された前記レーザビームは、前記ウィンドウを通過する前に前記ビーム形成部材により平行に調光され、前記ウィンドウにより反射されて戻る一部の調光された前記レーザビームが記レーザダイオードチップの開口を外れるように、調光された前記レーザビームは前記ウィンドウ（５）に対して所定の角度で入射させ、前記ビーム形成部材は、前記レーザダイオードチップに対して一定の温度条件に保持されることを特徴とするガス検出方法。
【００２２】
（１５）前記ビーム形成部材は、前記レーザダイオードチップの開口（８）上に前記レーザダイオードチップに接して装着されるか又は形成されていることを特徴とする前記（１４）に記載のガス検出方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、平行に調光されたレーザビームがウィンドウに垂直に入射しないため、ウィンドウにより反射されたレーザビームは、ウィンドウに向かうレーザビームとは重なり合わず、レーザダイオード装置内においては干渉が生じないとの利点がある。レーザダイオードチップと間に良好な熱伝達が図れるように、該チップに結合されたレーザビーム形成部材の温度が一定に保たれるので、両者の間には殆ど温度差が無く、レーザビーム形成部材による干渉は生じないとの利点もある。更に、レーザビームを密な媒体から疎な媒体又はその逆への伝達を減少させたために、境界面により反射される回数が減少するとの利点もある。これにより、従来のレーザダイオード装置に比し、ガスセンサの検出限界並びに信頼性が大幅に増大する。また、従来のレーザダイオード装置に比し、追加のコストが低いので、レーザダイオード装置の製造コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】球状のマイクロレンズ及びケーシングの底部に対して傾斜したウィンドウを有するレーザダイオード装置を示す断面摸式図
【図２】傾斜した出口表面を有する屈折率分布型レンズ及びケーシングの底部に対して傾斜したウィンドウを有するレーザダイオード装置を示す断面摸式図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明によるレーザダイオード装置をガス検出装置に用いる場合には、ケーシングのウィンドウにより反射されてレーザダイオード装置へ戻るレーザビームがレーザダイオードチップの開口から外れるように、ウィンドウをレーザビームの中心軸に対して傾斜させることが好ましい。ウィンドウの傾斜角度は、ウィンドウの入射面内のレーザビームの偏光ベクトルと一定の関係にある。レーザダイオードチップの底部の反対側に位置するウィンドウは、ケーシングの底部から伸張する側壁上に、チップ底部に対して平行か、傾斜させて載置される。ウィンドウのレーザビーム形成部材に面している側に入射したレーザビームは、ブルースター角（偏光角）に応じて透過又は反射される。レーザビーム形成部材の温度は、物理的に接触しているレーザダイオードチップにより決まる。その接触により、レーザダイオードチップとレーザビーム形成部材と間において熱が伝達される。レーザダイオードチップとレーザビーム形成部材は一体に形成するか、個別に形成して結合するか、又はレーザダイオードチップ上にレーザビーム形成部材を形成することにより、両者を緊密に接触させることができる。
【００２６】
レーザビーム形成部材としては、レンズが好ましい。レンズの代りに、凹面鏡、回折素子、又は他の適当な光学素子を用いてもよい。本発明の好適な実施例では、レーザビーム形成部材は、レーザダイオードチップ上に直接に載置し、レーザダイオードチップの開口の境界面に結合させている。レーザビーム形成部材は適当な屈折率を有すれば、例えばガラスなど変形しない固体、プラスチックなど弾力のある固体、オイルなどの液体でもよい。固体レンズの場合には、レーザダイオードチップとの結合は、面接触方式で、液体の接着剤を用いる。レーザビーム形成部材の焦点と、レーザダイオードチップの開口とを合わせることが好ましい。面接触による結合には、破壊する以外に結合を解除できない、原子、分子レベルの結合など全ての永続的な結合が含まれる。
【００２７】
適当な温度制御システムにより、レーザビーム形成部材とレーザダイオードチップは常に同じ温度に保持される。この温度制御はペルチエ素子、加熱システム、又は加熱システムとペルチエ素子の組み合わせにより行なわれる。このようにして、特にレーザダイオードチップの開口及びレーザビーム形成部材と開口との境界面は、均一の温度に保たれる。面結合により、レーザダイオードチップ及びレンズ又は凹面レンズの温度が同一に保たれるので、レーザダイオードの構造を損なうような応力は生じない。開口とレーザビーム形成部材とを空隙無しに結合することにより、レーザビーム形成部材と開口との境界面による一部のレーザビームの反射は著しく減少する。
【００２８】
例えば、レーザビーム形成部材としてのレンズは、別の部品として製造し、接着剤により開口に貼付けることが好ましい。接着剤は、均質な層として、開口とレンズとの間に塗布される。レーザビームは、開口から接着剤層及び接着剤層からレンズの境界線へと横切る際に、スネルの法則（屈折の法則）に従って回折される。スネルの法則とは、光波がある位相速度を有する透明媒体から、別の位相速度を有する透明媒体へと横切る場合に、光波の方向が変化することである。この法則は、波の偏向方向を規定する。レーザ光は、媒体の屈折率によって決まる伝播速度で媒体中を移動する。屈折率は、光の真空中の位相速度と媒体中の位相速度の比である。例えば、ゼリー又は液体の膠層又は接着層など接着剤層の屈折率は、薄いガラスの屈折率よりもレンズの屈折率にかなり近いので、レーザ光がレーザダイオードチップから、そのチップに載置され且つ好ましくは接着されたレーザビーム形成部材へと横切る際に、レーザ光の屈折は、レーザダイオードチップの開口とレーザビーム形成部材との境界面に接着剤層が無い場合よりも遥かに小さくなることは周知である。
【００２９】
レンズも液体により開口に結合させてもよい。液体の屈折率をレーザビーム形成部材の材料の屈折率と同じにすることが好ましい。例えば、適当な表面張力及び適当な屈折率を有する液体により構成されるマイクロレンズを用いてもよい。マイクロレンズを形成する液状の材料を、直にレーザダイオードチップの開口に塗布してもよい。
【００３０】
レーザダイオードチップからレーザビーム形成部材へと伝播の際のレーザビームの屈折による迷光が反射されて開口へと戻り、レーザダイオードチップから放射されるレーザビームと平行になるのを防ぐために、レーザビーム形成部材とレーザダイオードチップの開口との境界面の形状及び大きさを均一にすることが好ましい。その場合、開口から放射されるレーザビームの開口角は、レーザビーム形成部材の開口に対応している。開口に面しているレーザビーム形成部材の境界面をレーザダイオードチップの開口よりも大きくでき、開口を完全に覆っている限り境界面の形状が開口の形状からずれてもよいことは明らかである。
【００３１】
レーザビーム形成部材と開口を接着するのに、レーザビーム形成部材と同じ屈折率を有する接着剤を用いると良いことが確認されている。接着剤層の屈折率とレーザビーム形成部材の屈折率とを同一にすることにより、レーザダイオードチップ、接着剤層及びレーザビーム形成部材から構成される装置において、光の屈折境界は一つへと減少する。この場合、開口と接着剤層の間に、実効的な境界面が存在することになる。レーザダイオードチップを発してレーザビーム形成部材より放射されるレーザビームが、開口から接着剤層へと遷移する際に一度だけ屈折されるように、レーザダイオードチップに面しているレーザビーム形成部材と接着剤層との境界面が調整さる。これにより、レーザダイオード装置のケーシング内におけるレーザ光の反射の可能性が無くなる。
【００３２】
別の好適な実施例では、レーザビーム形成部材として、高分子素材又はゾル−ゲルにより形成されたマイクロレンズを用い、レーザダイオードチップの開口に直に装着する。装着及び硬化は、その分野に通常の知識を有する者には周知の方法により行なわれる。この場合、マイクロレンズとレーザダイオードチップの間の接着剤は不要である。高分子又はゾル−ゲルは、レーザダイオード開口又はレーザダイオードチップと面接触により直に結合される。
【００３３】
本発明において、「レンズ」とは、レーザダイオードチップから放射されたレーザ光線を平行に調光して平行ビームを生成する２つの対抗面を有する光学部品のことである。レーザ光に対して透明なガラス、結晶又は特殊なプラスチックなどがマイクロレンズの材料に適している。レンズの屈折率は、レンズの軸方向及び軸に交わる方向に対して一定か又は所定の割合で変化してもよい。いずれのレンズでも、焦点に位置する光源、特にレーザ光源のビームを平行に調光可能であることが必要である。本発明によるレーザダイオード装置のレンズとしては、球状、ドーム状、棹状、球凸状、非球凸状などのマイクロレンズ、又は円筒状の屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを用いることが好ましい。
【００３４】
マイクロレンズ又は屈折率分布型レンズは、レーザダイオードの開口に対応した境界平面を有することが好ましい。接着剤層により平面化できるのであれば、凹状の境界面も原理的に可能である。上記のようなマイクロレンズでは、レンズ材料が均一の屈折率を有するために、レーザ光は直線に沿って伝播する。屈折率分布型レンズでは、屈折率が均一でないために、レーザ光は曲線に沿って伝播する。屈折率分布型レンズにおいては、屈折率は中心軸からの距離の二乗則（放物線状）に従って屈折率を減少（放物線）させることが多い。このような、棹状のレンズは、集光レンズとして作動するが、入射側及び放射側に平面状表面を有することが多い。このため、組み立て、小型化及び他の光学素子への結合が簡単にできる。
【００３５】
本発明の好適な実施例では、レーザビーム形成部材の光学軸は、レーザダイオードの開口の中心軸から偏心している。レンズ又は鏡は、レーザダイオードの中心には配置されず、レーザダイオードの開口の軸に対して数十μｍ偏心している。このことにより、マイクロレンズとしてのレーザビーム形成部材の開口である境界面は、少なくとも偏心分だけはレーザダイオードチップの開口よりも大きくする必要がある。これに対して、レーザビーム形成部材として屈折率分布型レンズでは、レンズの開口はレーザダイオードの開口と同心円状に配置され、レーザダイオードの開口から遠い境界面を傾斜させることが好ましい。
【００３６】
レーザビーム形成部材の面する傾斜したウィンドウの内側に入射するレーザビームの透過と反射は、上述のようにブルースター角に従って作用し、ウィンドウから放射されるレーザビームの干渉が抑えられる。別に実施例によれば、レーザダイオード装置のケーシングのウィンドウの反射防止被覆により更に干渉が抑えられる。ブルースター角とは、入射して偏光された光の入射面に対して垂直な偏光成分が反射される角度のことである。ある角度における屈折光が反射光に対して直交することが、ブルースター角の特徴である。その結果、入射面に平行に偏光されたレーザビームは全て屈折され、入射面に垂直に偏光された部分が反射される。
【００３７】
レーザビーム形成部材及びレーザダイオードチップが所定の温度に保たれるように、レーザダイオードチップを、ペルチエ素子として知られる熱電素子上に配置することが好ましい。レーザビーム形成部材とレーザダイオードチップとを緊密に接触させることにより、同一の温度に保たれる。
【００３８】
上記の構造は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に限らず、原理的には分布帰還（ＤＦＢ）レーザ並びに他のレーザダイオードにも適用できる。
【００３９】
本発明によるガス検出方法では、以下のように構成されたレーザダイオード装置を用いる。レーザダイオード装置は、電気的接合部、底部、ウィンドウ、レーザダイオードチップ及びその温度制御システムを備えて気密に封止されたケーシング、並びにレーザダイオードチップとウィンドウとの間に備えられた、例えばレンズなどレーザダイオードチップの開口から放射されたレーザビームを、ウィンドウを透過する前に平行光線へと調光する光ビーム形成部材を含んで構成されている。ケーシング内のレーザビームの干渉を減ずるために、ビーム形成部材により平行に調光されたレーザビームは、ウィンドウに対してある角度で入射させて、ウィンドウによる反射ビームがレーザダイオードチップの開口を外れて通過するような角度とする。このため、ウィンドウを開口に垂直なレーザビームの中心軸に対して傾斜させるか、又はウィンドウを開口に対して平行に配置し、適当な指向変位部材を用いてレーザビームをウィンドウに対して斜行させてもよい。ビーム形成部材及びレーザダイオードチップは所定の温度条件に保持され、ビーム形成部材及びレーザダイオードチップは同一の規定された温度に保たれる。レーザダイオードチップから放射されたレーザビームと反射してレーザダイオードの開口へ戻されたレーザビームとが混じりあうことによる干渉を減少させるには、レーザダイオードチップとレーザビーム形成部材の間の温度差を一定に保つことが重要である。このため、レーザダイオードチップ及びレーザビーム形成部材を同一の温度か又は異なった温度に保ってもよい。レーザビーム形成部材の温度をレーザダイオードチップと同一に保つことが好ましい。例えば、両者の接触を図るようにレーザダイオードチップがレーザビーム形成部材を担持して両者を接触させれば、レーザビーム形成部材とレーザダイオードチップの間の熱伝達が良好となり、両者は同一の温度に保たれる。このため、両者が接触するように、レーザビーム形成部材は、レーザダイオードチップに装着するか、又はレーザダイオードチップ上に形成する。レーザビーム形成部材は、空隙を設けずにレーザダイオードチップ上に直に配置して、レーザビーム形成部材の境界面をレーザダイオードチップ、好ましくはレーザダイオードチップの開口に結合させることが好ましい。
【００４０】
以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明するが、図面に示された実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４１】
図１には、本発明によるレーザダイオード装置１の第一の実施例を示す。レーザダイオード装置１は、気密に封止されたケーシング２を有し、ケーシング２の底部４には複数の電気的接続部３が備えられている。ケーシング２の上部には、レーザダイオードチップ６から放射されたレーザビーム７の出口としてのウィンドウ５が備えられている。ウィンドウ５は、ケーシング２の底部４及びレーザダイオードチップ６の開口８に対してある角度で傾斜している。レーザダイオードチップ６は、感温センサとしてのサーミスタ９と共に担体１０に接着されており、担体１０はペルチエ素子１２の冷却面１１に接着されている。ペルチエ素子１２の加熱面１３は、ケーシング２の底部４に結合され、サーミスタ９によりペルチエ素子１２への電流が制御されている。
【００４２】
レーザビーム７を平行に調光するマイクロレンズ１４は、レーザダイオードチップ６とウィンドウ５に開口８と重なり合った状態で配置されている。マイクロレンズ１４はレーザダイオードチップ６に担持され、接着剤層１５により開口８に面接着されている。マイクロレンズ１４は、開口８に面した入光平面１６を有し、ケーシング２のウィンドウ５に面して凸状の出光面１７を有している。マイクロレンズ１４の入光平面１６はレーザビーム７に対して横方向に数１０μｍ偏心させることが多い。これにより、例えば、マイクロレンズ１４の出光面１７から反射されて戻るレーザビームが開口８を外れるように調整される。接着剤層１５は薄く、マイクロレンズ１４と同じ屈折率を有している。マイクロレンズ１４は別の部品としてポリマーから形成、硬化した後に接着剤層１５によりレーザダイオードチップ６上に配置される。
【実施例２】
【００４３】
図２には、本発明によるレーザダイオード装置１の第二の実施例を示す。本実施例では、図１のマイクロレンズ１４の代りに屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１４が用いられている。本実施例でも、ケーシング２のウィンドウ５はレーザビーム７の中心軸に対して傾斜している。ウィンドウ５によりレーザダイオードチップ６方向へ反射されたレーザビーム７が、開口８から外れるように、ウィンドウ５を傾斜させている。更に、ウィンドウ５の内側表面１８は、反射防止皮膜１９を有している。この反射防止膜は図１のレーザダイオード装置１に適用してもよい。
【００４４】
図２の屈折率分布型レンズ１４は、収束レンズでもある。屈折率分布型レンズ１４は円筒形であり、開口８に平行な第一の境界面１６及びウィンドウ５に対応する第二の境界面１７を有している。レーザ光の出口である境界面１７は、ウィンドウ５に対向しており、屈折分布型レンズ１４の中心軸及びウィンドウ５に対して傾斜している。しかし、境界面１７のウィンドウ５に対する傾斜は任意である。屈折率分布型レンズ１４の境界面１６は、接着剤層１５により開口８に面接着されている。上記以外については、図２に示す本実施例は、図１に示す実施例と同じである。
【符号の説明】
【００４５】
１    レーザダイオード装置
２    ケーシング
３    電気的接続部
４    底部
５    ウィンドウ
６    レーザダイオードチップ
７    レーザビーム
８    （レーザダイオードチップの）開口
９    サーミスタ（感温素子）
１０  担体
１１  冷却面
１２  ペルチエ素子（熱電素子）
１３  加熱面
１４  マイクロレンズ（図１）、屈折分布型レンズ（図２）
１５  接着剤層
１６  入光平面（図１）、第一の境界面（図２）
１７  出光面（図１）、第二の境界面（図２）
１８  内側表面
１９  反射防止膜
【図１】
2011101003.tif 000003
【図２】
2011101003.tif 000004