(57)【要約】【課題】半導体レーザーを起動してから直ちに安定した光出力が得られるようにする。【解決手段】例えばＧａＮ系半導体レーザー等の半導体レーザーＬＤ１〜７が停止している間は、該半導体レーザーＬＤ１〜７をヒーター５０により加温しておく。その後半導体レーザーＬＤ１〜７を駆動させる際に、光源駆動回路５２およびヒーター駆動回路５３の動作を制御回路５４で制御する等により、半導体レーザーＬＤ１〜７の駆動開始と略同時にヒーター５０による加温を停止あるいは温度低下させる。【選択図】　　　　　図１
2004128073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザーの停止中に該半導体レーザーをヒーターにより加温しておき、
その後半導体レーザーを駆動させる際に、その駆動開始と略同時に前記ヒーターによる加温を停止あるいは温度低下させることを特徴とする半導体レーザーの光出力安定化方法。
【請求項２】
前記ヒーターとして、前記半導体レーザーが駆動中に発する単位時間当り熱量とほぼ同じ単位時間当り熱量を該半導体レーザーの近辺に加えるものを用い、
このヒーターによる加温を半導体レーザーの駆動開始と略同時に停止させることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザーの光出力安定化方法。
【請求項３】
前記半導体レーザーの停止中に、その発振閾値よりも低い電流を該半導体レーザーに供給しておくことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザーの光出力安定化方法。
【請求項４】
前記半導体レーザーがＧａＮ系半導体レーザー、複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザー、もしくは共通の１つのブロックに実装された複数の半導体レーザーであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザーの光出力安定化方法。
【請求項５】
前記ヒーターとして半導体レーザーチップを用いることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザーの光出力安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザー（レーザーダイオード）の光出力を安定化させる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、種々の分野において半導体レーザーが適用されている。この半導体レーザーはガスレーザ等と比べると応答性が良いので、例えば画像露光装置の露光用光源等に用いられることも多い。そのような場合半導体レーザーは、例えば画像露光用に１５秒間駆動され、露光された感光材料と未露光の感光材料の交換に要する１０秒間は停止するというように、間欠的に駆動されることがある。
【０００３】
そのように半導体レーザーを駆動する際には、起動してから直ちに（例えば１秒以内程度）所定の光出力に到達して、その光出力を維持することが望まれる。従来、そのように半導体レーザーの光出力を安定化する方法として、例えば特許文献１に示されるように、レーザ電源への制御信号に対するレーザ光出力の変動を予め測定して、その変動パターンを記録しておき、レーザの駆動開始時にその変動パターンに応じて制御信号を補正する、という方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２８４２８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に示されたレーザーの光出力安定化方法では、半導体レーザーを起動してから直ちに、つまり１秒以内程度で光出力を安定化させることは極めて困難になっている。従来、青色の波長領域で発振するＧａＮ系半導体レーザーが公知となっているが、この種の半導体レーザーにおいては、特に起動直後の光出力を安定化させることが困難になっている。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体レーザーを起動してから直ちに安定した光出力を得ることができる、半導体レーザーの光出力安定化方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法は、半導体レーザーの停止中に該半導体レーザーをヒーターにより加温しておき、その後半導体レーザーを駆動させる際に、その駆動開始と略同時に前記ヒーターによる加温を停止あるいは温度低下させることを特徴とするものである。
【０００８】
なお、本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法においては、上記のヒーターとして、半導体レーザーが駆動中に発する単位時間当り熱量とほぼ同じ単位時間当り熱量を該半導体レーザーの近辺に加えるものを用い、このヒーターによる加温を半導体レーザーの駆動開始と略同時に停止させることが望ましい。
【０００９】
また、本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法においては、半導体レーザーの停止中に、その発振閾値よりも低い電流を該半導体レーザーに供給しておくことが望ましい。なおこの場合の「停止」とは、レーザ発振はしないで所望の光出力が得られていない状態を指すものとする。
【００１０】
また本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法は、半導体レーザーがＧａＮ系半導体レーザー、複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザー、もしくは共通の１つのブロックに実装された複数の半導体レーザーである場合に適用されることが特に好ましい。
【００１１】
一方、上記ヒーターとしては、半導体レーザーチップを好適に用いることができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明者の研究によると、特許文献１の方法等を適用しても、起動直後の半導体レーザーの光出力を安定化することが難いのは、半導体レーザーを起動させると、それまで低温だった半導体レーザーが自身の発熱によって温度上昇するので、起動直後はこの温度変化のために半導体レーザーの光出力が不安定になるからであることが判明した。
【００１３】
この知見に鑑みて本発明の半導体レーザーの光出力安定化方法においては、半導体レーザーの停止中に該半導体レーザーをヒーターにより加温しておき、その後半導体レーザーを駆動させる際に、その駆動開始と略同時にヒーターによる加温を停止あるいは温度低下させるようにしたので、半導体レーザーの起動前後の温度差を低減することができる。そうであれば、半導体レーザーの起動後の温度上昇を抑制することができ、ひいてはこの温度変化による半導体レーザーの光出力変動を抑えて、その光出力を起動直後から安定化することが可能になる。
【００１４】
なおヒーターによる加温は、上述の通りの作用、効果を得るために行うものであるから、一般には、半導体レーザーの駆動開始と略同時に停止させるのが望ましい。
【００１５】
また、本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法において、特に上記のヒーターとして、半導体レーザーが駆動中に発する熱量とほぼ同じ熱量を該半導体レーザーの近辺に加えるものを用い、このヒーターによる加温を半導体レーザーの駆動開始と略同時に停止させるようにした場合には、半導体レーザーの起動前後でその温度を略一定に保つことができるので、特に良好な光出力安定化効果を得ることができる。
【００１６】
また、本発明による半導体レーザーの光出力安定化方法において、特に半導体レーザーの停止中に、その発振閾値よりも低い電流を該半導体レーザーに供給しておく場合には、半導体レーザーの起動前後の温度差をより小さく抑えることができるので、ヒーターにより半導体レーザーの起動前後でその温度を略一定に保つことがより容易になり、特に良好な光出力安定化効果を得ることができる。
【００１７】
また前述したように、ＧａＮ系半導体レーザーにおいて特に起動直後の光出力を安定化させることが困難であるのは、赤色領域等の長波長帯で発振する半導体レーザーに比べてこのＧａＮ系半導体レーザーは電気−光変換効率がより低く（１５〜２０％程度）、そのため、起動前後の温度差が大きくなりがちであることに起因している。そこで、このようなＧａＮ系半導体レーザーを駆動する場合に本発明の光出力安定化方法を適用すると、本来、起動直後には安定し難いこのＧａＮ系半導体レーザーの光出力を確実に安定化させることができるので、特に効果的である。
【００１８】
なお半導体レーザーが、複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザーである場合や、共通の１つのブロックに実装された複数の半導体レーザーである場合にも、駆動時の発熱量が大きくなることから、それらの起動前後の温度差が大きくなりがちである。そこで、このような場合に本発明の光出力安定化方法を適用すると、本来、起動直後には安定し難いこの種の半導体レーザーの光出力を確実に安定化させることができるので、特に効果的である。
【００１９】
一方、上記ヒーターとしては、通常の電熱線や抵抗発熱体等からなるものを用いることができるが、それらを用いた場合には、ヒーターの自己インダクタンスによる応答遅れがあり、半導体レーザー起動後の温度がこの応答遅れによって目標値よりも上昇してしまうことがある。それに対して半導体レーザーチップは、駆動指令信号に対する電流値の応答性が、つまりは温度の応答性が高いので、ヒーターとしてこのような半導体レーザーチップを用いると、この応答遅れによる問題を解消することができる。
【００２０】
この結果、例えば１５秒間露光用に駆動し、１０秒間停止するパターンの場合、レーザーは露光開始の１秒前から駆動すればよくなる。従来は、このような場合、起動後の出力不安定のためレーザーの駆動停止ができなかったが、本発明によれば、２５秒のサイクルタイム中に９秒間駆動停止できるようになり、レーザー寿命を５０％程度伸ばすことも可能になった。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１と図２はそれぞれ、本発明の第１の実施の形態による光出力安定化方法が適用される紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの側面形状、平面形状を示すものであり、また図３はこの合波ファイバーモジュールを構成する合波レーザー光源の平面形状を示すものである。
【００２３】
まず図３を参照して、合波レーザー光源について説明する。図示されるようにこの合波レーザー光源は、銅からなるヒートブロック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、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とから構成されている。なお、ヒートブロック１０に対するＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の取付状態を、図４に示してある。
【００２４】
また図５の（１）、（２）、（３）および（４）にはそれぞれ、集光レンズ２０の正面形状、底面形状、後面形状および側面形状を示す。ここに示される通り集光レンズ２０は、一例として７個のコリメーターレンズ部分２１，２２，２３，２４，２５，２６および２７と、１つの集光レンズ部分２８とが共通の部材から一体的に形成されてなるものである。このような集光レンズ２０は、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。
【００２５】
上記コリメーターレンズ部分２１〜２７のうち、左右両端のコリメーターレンズ部分２１および２７は、軸対称レンズをその光軸を含む形に１つの弧の部分で切り取った形状とされ、一方、それらの間に位置する５個のコリメーターレンズ部分２２，２３，２４，２５および２６は、軸対称レンズをその光軸を含む形に２つの平行な弧の部分で切り取った細長い形状とされ、それらのコリメーターレンズ部分２１〜２７は各々の直線状の縁部を隣接するレンズ部分と共有する形に並設されている。なお上に挙げた軸対称レンズは、全て同形状のものである。
【００２６】
また集光レンズ部分２８は、上記のものとは異なる軸対称レンズをその光軸を含む形に２つの平行な弧の部分で切り取った細長い形状とされ、コリメーターレンズ部分２１〜２７はこの集光レンズ部分２８の長さ方向に並べて配置されている。なお、中央のコリメーターレンズ部分２４の光軸は、集光レンズ部分２８の光軸と一致している。
【００２７】
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４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。またその出射光は、長径方向つまり図３の紙面に直角な方向、短径方向つまり図３の紙面に平行な方向の拡がり角（半値全角）がそれぞれ３０°、１０°の楕円光束である。そしてこれらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、その発光点がそれぞれ上記コリメーターレンズ部分１１〜１７の光軸上に位置し、上記長径方向がコリメーターレンズ部分２２〜２６の長さ方向と一致する状態に配設されている。つまりこれらの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。
【００２８】
他方、マルチモード光ファイバー３０としては、三菱電線工業株式会社製のグレーデッドインデックス型光ファイバーを基本として、コア中心部がグレーデッドインデックスで外周部がステップインデックスである、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上のものが用いられている。
【００２９】
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、それぞれコリメーターレンズ部分２１，２２，２３，２４，２５，２６および２７によって平行光化される。
【００３０】
そして、平行光とされたレーザービームＢ１〜７は、集光レンズ部分２８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がこの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。
【００３１】
本例の構成においては、レーザービームＢ１〜７のマルチモード光ファイバー３０への結合効率が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１００ｍＷのときには、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００３２】
以上の説明から明らかなようにレーザービームＢ２〜６は、細長い形状とされた各コリメーターレンズ部分２２〜２６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ターレンズ部分２２〜２６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。また、コリメーターレンズ部分２１および２７についても、ある程度上記と同様のことが言える。なお、これらのコリメーターレンズ部分２１および２７を、コリメーターレンズ部分２２〜２６と同形状としても構わない。
【００３３】
次に、図１に示した合波レーザー光源からなる紫外光高輝度合波ファイバーモジュールについて、図５および図６を参照して詳しく説明する。なおなおこれらの図においては、図の煩雑化を避けるために、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７のうち１つのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ７にのみ番号を付してある。
【００３４】
本例においてモジュール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。
【００３５】
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、そしてこのヒートブロック１０に集光レンズ２０を保持するレンズホルダ４４が固定されている。さらにベース板４２の上面には、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ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の横壁面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。
【００３６】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７を固定したヒートブロック１０には、これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の近傍をそれらに沿って延びるようにして、ヒーター５０が固定されている。このヒーター５０は、電熱線や発熱抵抗体等からなり、通電されることによって発熱するものである。このヒーター５０に電流を供給する配線類５１も、パッケージ４０の横壁面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。
【００３７】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、図１に示す光源駆動回路５２から駆動電流が供給されて駆動する。またヒーター５０は、同じく図１に示すヒーター駆動回路５３から駆動電流が供給されて駆動する。そしてこれらの駆動回路５２、５３の動作は、制御回路５４から電圧信号として入力される光源駆動指令信号Ｓ１，ヒーター駆動指令信号Ｓ２に基づいて各々制御される。
【００３８】
図６は、上記光源駆動指令信号Ｓ１の電圧値（１）と、上記ヒーター駆動指令信号Ｓ２の電圧値（２）と、光源駆動指令信号Ｓ１に基づいて光源駆動回路５２からＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に各々供給される電流値（３）と、ヒーター駆動指令信号Ｓ２に基づいてヒーター駆動回路５３からヒーター５０に供給される電流値（４）と、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７およびヒーター５０に供給される電流値の和（５）の各波形を示すものである。
【００３９】
この紫外光高輝度合波ファイバーモジュールは、一例として前述したような画像露光装置の露光用光源として用いられるものであり、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は上記図６（１）および（３）に示される通り、例えば画像露光用に１５秒間駆動され、露光された感光材料と未露光の感光材料の交換に要する１０秒間は停止するというように、間欠的に駆動される。
【００４０】
これに対してヒーター５０は、同図の（１）と（２）とを対比して明らかなように、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の停止中に通電し、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の駆動中に通電停止するように駆動される。そしてこのヒーター５０としては、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が駆動中に発する単位時間当り熱量とほぼ同じ単位時間当り熱量を発するものが用いられている。それにより、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の起動前後の温度を略一定にすることができる。そうであれば、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の起動後の温度上昇を抑制することができ、ひいてはこの温度変化によるＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の光出力変動を抑えて、その光出力を起動後直ちに（例えば１秒以内に）安定化することが可能になる。
【００４１】
なお本実施の形態においては、ヒーター５０に自己インダクタンスによる応答遅れがあるので、その電流波形は図６（４）に示される通りのものとなっている。そのため、同図（５）に示すＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７およびヒーター５０に供給される電流値の和は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の起動直後に、同図中Ａで示すように一時的に大きな値を取ってしまう。そのようになると、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の温度は、この応答遅れによって目標値よりも上昇してしまう。
【００４２】
図７は、上述の不具合も解消するようにした、本発明の第２の実施の形態における電圧波形および電流波形を示すものである。同図の（１）〜（５）が波形を示す電圧値あるいは電流値は、図６の（１）〜（５）が示すものとそれぞれ同じである。なおこの場合も、装置構成は基本的に図１のものを採用し、ヒーター駆動回路５３の構成を、図７（２）に波形を示すヒーター駆動指令信号Ｓ２を発するように変更すればよい。
【００４３】
上記のようなヒーター駆動指令信号Ｓ２をヒーター駆動回路５３に入力することにより、ヒーター５０の電流波形は図７（４）に示される通りのものとなる。そのため、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７およびヒーター５０に供給される電流値の和は同図（５）に示す通り、図６の場合と比べれば、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の起動直後の変動が抑制されたものとなる。そこで、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の温度が、ヒーター５０の応答遅れによって目標値よりも大きく上昇してしまうことが防止される。
【００４４】
なお図６および７から明らかなように、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の駆動電流値は光源駆動指令信号Ｓ１に応答性良く追随するので、それらの発熱特性も当然光源駆動指令信号Ｓ１に応答性良く追随するものとなる。そこでこのようなＧａＮ系半導体レーザーあるいはその他の半導体レーザーを、ヒーター５０に代えて使用すれば、上述した応答遅れの問題を抑えることができる。
【００４５】
以上、半導体レーザーとしてＧａＮ系半導体レーザーを複数用いる場合に適用された実施の形態について説明したが、本発明はその他の種類の半導体レーザーや、半導体レーザーを１個だけ駆動する場合にも同様に適用可能で、そのような場合にも前述の効果を奏するものである。しかし、上記のようにＧａＮ系半導体レーザーを用いる場合や、半導体レーザーを複数用いる場合、あるいは複数の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザーを用いる場合に本発明を適用すれば特に効果的であることは先に述べた通りである。
【００４６】
また、半導体レーザーの駆動開始と略同時にヒーターへの通電を絶って加温を停止させる代わりに、ヒーターに供給する電流を極く小さい値に抑えて、その温度を低下させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザの光出力安定化方法を実施する紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを示す側面図
【図２】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの平面図
【図３】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを構成する合波レーザー光源の平面図
【図４】図３の合波レーザー光源を構成する半導体レーザーの部分を示す斜視図
【図５】図３の合波レーザー光源に用いられた集光レンズの正面形状（１）、底面形状（２）、後面形状（３）および側面形状（４）を示す四面図
【図６】上記第１実施の形態における半導体レーザーおよびヒーターの駆動信号並びに電流の波形図
【図７】本発明の第２の実施の形態における半導体レーザーおよびヒーターの駆動信号並びに電流の波形図
【符号の説明】
１０　　ヒートブロック
３０　　マルチモード光ファイバー
５０　　ヒーター
５２　　光源駆動回路
５３　　ヒーター駆動回路
５４　　制御回路
ＬＤ１〜７　　ＧａＮ系半導体レーザー
【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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