(57)【要約】【課題】複数の半導体レーザーが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置を製造する方法において、コリメーターレンズの焦点位置が半導体レーザーの発光点にあって、かつ各半導体レーザーの発光点とコリメーターレンズの中心を結ぶ線が互いに平行になっている状態に両者を正確に位置合わせ可能とする。【解決手段】ブロック１０の半導体レーザーＬＤ１〜７を固定する部分よりも前方側に、半導体レーザーＬＤ１〜７の発光軸Ｏに垂直とされた平滑な基準面Ｓを形成する。そして複数の半導体レーザーＬＤ１〜７をそれぞれ、対応するコリメーターレンズ１１〜１７の焦点距離測定情報に基づいて発光軸方向に位置調整してブロック１０に固定し、その後複数のコリメーターレンズ１１〜１７を、基準面Ｓに倣って位置調整する。【選択図】　　　　　図１
2004047651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザーと、
これらの半導体レーザーを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、
前記半導体レーザーから発せられたレーザービームを各々平行光化する複数のコリメーターレンズとを備えてなるレーザー装置を製造する方法において、
前記ブロックの前記複数の半導体レーザーを固定する部分よりも前方側に、該半導体レーザーの発光軸に垂直とされた平滑な基準面を形成し、
前記複数の半導体レーザーをそれぞれ、対応する前記コリメーターレンズの焦点距離測定情報に基づいて発光軸方向に位置調整して前記ブロックに固定し、
その後前記複数のコリメーターレンズを、前記基準面に倣って位置調整してから該基準面に固定することを特徴とするレーザー装置の製造方法。
【請求項２】
複数の半導体レーザーと、
これらの半導体レーザーを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、
前記半導体レーザーから発せられたレーザービームを各々平行光化する複数のコリメーターレンズとを備えてなるレーザー装置において、
前記ブロックの前記複数の半導体レーザーを固定する部分よりも前方側に、該半導体レーザーの発光軸に垂直とされた平滑な基準面が形成され、
前記複数の半導体レーザーがそれぞれ、対応する前記コリメーターレンズの焦点距離の各々に基づいて発光軸方向に位置調整された状態で前記ブロックに固定され、
前記複数のコリメーターレンズが、前記基準面に倣って位置調整された状態で該基準面に固定されていることを特徴とするレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザーから発せられたレーザービームを各々コリメーターレンズによって互いに平行な状態にして平行光化する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製造する方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザー励起固体レーザーから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーや、エキシマレーザーや、Ａｒレーザーが実用に供されている。
【０００４】
さらには近時、例えば１９９８年発行のＪｐｎ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７．ｐ．Ｌ１０２０に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発するＧａＮ系半導体レーザー（レーザーダイオード）も提供されている。
【０００５】
このような波長のレーザービームを発する光源は、３５０〜４２０ｎｍの紫外領域を含んだ所定の波長域（以下「紫外域」という）に感度を有する感光材料を露光する露光装置において、露光用光源として適用することも考えられている。その場合の露光用光源は、当然ながら、感光材料を感光させるのに十分な出力を備えることが求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記エキシマレーザーは、装置が大型で、コストやメンテナンスコストも高いという問題がある。
【０００７】
また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーは、波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは極めて困難になっている。現在のところは、３０Ｗの半導体レーザーで固体レーザー媒質を励起して１０Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、それを３Ｗの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に変換し、それら両者の和周波である１Ｗの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を得る、というのが現在の実用レベルである。その場合の半導体レーザーの電気−光効率は５０％程度であり、そして紫外光への変換効率は１．７％程度と非常に低いものとなっている。そしてこのような波長変換レーザーは、高価な光波長変換素子を用いるために、コストがかなり高いものとなっている。
【０００８】
またＡｒレーザーは電気−光効率が０．００５％と非常に低く、寿命が１０００時間程度と非常に短いという問題がある。
【０００９】
一方、ＧａＮ系半導体レーザーについては、低転位のＧａＮ結晶基板が得られないことから、ＥＬＯＧという成長方法によって約５μｍ程度の低転位領域を作り出し、その上にレーザー領域を形成して高出力化と高信頼性を実現する試みがなされている。しかし、こうして作製されるＧａＮ系半導体レーザーにおいても、大面積に亘って低転位の基板を得るのが難しいので、５００ｍＷ〜１Ｗ級の高出力なものは未だ商品化されていない。
【００１０】
また、半導体レーザーの高出力化の別の試みとして、例えば１つで１００ｍＷの光を出力するキャビティを１００個形成することで１０Ｗの出力を得るようなことも考えられているが、１００個程度の多数のキャビティを高歩留まりで作成することは、ほとんど現実性が無いと言える。特に、シングルキャビティの場合でも９９％以上の高歩留まり化は困難であるＧａＮ系半導体レーザーにあっては、なおさらである。
【００１１】
本出願人は上記の事情に鑑みて、先に特願２０００−２７３８４９号および同−２７３８７０号において、特に高出力が得られるレーザー装置を提案した。
【００１２】
特願２０００−２７３８４９号のレーザー装置は、複数の半導体レーザーと、１本のマルチモード光ファイバーと、上記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で上記マルチモード光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなるものである。このレーザー装置の好ましい実施の形態において、上記複数の半導体レーザーは、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配設される。一方特願２０００−２７３８７０号のレーザー装置は、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チップが、複数個並べて固定されてなるものである。
【００１３】
上記のように、複数の半導体レーザーが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置において、通常複数の半導体レーザーは、ＣｕまたはＣｕ合金製の放熱ブロック等のブロックに固定保持される。
【００１４】
また、複数の半導体レーザーからはそれぞれレーザービームが発散光状態で発せられるので、それらのレーザービームを１点に集束させる等の場合は、発散光状態のレーザービームをコリメーターレンズに通して平行光化し、さらに平行光化されたレーザービームを互いに同じ方向に進行させた上で集光レンズに入射させる必要がある。そのためには、各コリメーターレンズの焦点位置が半導体レーザーの発光点にあって、かつ各半導体レーザーの発光点とコリメーターレンズの中心とを結ぶ線が互いに平行になっている状態に両者を位置合わせしなければならない。もしこの位置合わせが不正になされていると、複数のレーザービームを十分小さなスポット径に収束させることが不可能になる。
【００１５】
この問題を防止するためには、コリメーターレンズを半導体レーザーに合わせて、狭ピッチにＸＹＺ３方向にミクロン〜サブミクロン精度で調芯位置決めする必要がある。ピッチが狭くなると当然レンズとレンズの間隔が狭まり、例えば１００μｍ以下の隙間しか取ることができない。アクティブ方式で半導体レーザーを光らせて、１個１個レンズを動かして調整位置決めする方法が知られているが、レンズ保持を確実に行なうための設備スペースに余裕がなく、半導体レーザー基準でレンズを動かしながら３軸方向に調芯位置決めするのは容易でない。
【００１６】
例えば３軸調芯するには、必ずホルダ部材を介してコリメーターレンズとレーザーブロックを固定しなければならないため、固定箇所は少なくとも２箇所必要となり、７個の半導体レーザーを合波に使用する場合には１４箇所の固定をすべてミクロン〜サブミクロン精度で調芯位置決め固定しなければならない。この場合の歩留りは個々の歩留りの１４乗で効いてくるため、固定信頼性を上げるにしても、接着箇所が増えれば歩留りを一定以上確保することが非常に困難となる。
【００１７】
またホルダとレンズと半導体レーザーブロックの接着面平行度を合わせる事が固定精度を保つ上で重要な要素となるが、部品製作精度によって、この３者をともに合わせることとレンズと半導体レーザーの光軸を合わせることが必ずしも両立しない矛盾が起こり、精度確保が難しい状況となる。したがって調芯歩留りが悪化したり、調芯時間が長くなったり、部品コストが上がったりして、レーザー装置のコストアップを招く。
【００１８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、複数の半導体レーザーが各発光点が一方向に並ぶ状態に配設されてなるレーザー装置を製造する方法において、各コリメーターレンズの焦点位置が半導体レーザーの発光点にあって、かつ各半導体レーザーの発光点とコリメーターレンズの中心を結ぶ線が互いに平行になっている状態に両者を正確に位置合わせ可能とすることを目的とする。
【００１９】
また本発明は、コリメーターレンズおよび半導体レーザーが上記のように正確に位置合わせされたレーザー装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザー装置の製造方法は、
複数の半導体レーザーと、
これらの半導体レーザーを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、
前記半導体レーザーから発せられたレーザービームを各々平行光化する複数のコリメーターレンズとを備えてなるレーザー装置を製造する方法において、
前記ブロックの複数の半導体レーザーを固定する部分よりも前方側に、該半導体レーザーの発光軸に垂直とされた平滑な基準面を形成し、
前記複数の半導体レーザーをそれぞれ、対応するコリメーターレンズの焦点距離測定情報に基づいて発光軸方向に位置調整して前記ブロックに固定し、
その後複数のコリメーターレンズを、前記基準面に倣って位置調整してから該基準面に固定することを特徴とするものである。
【００２１】
また本発明によるレーザー装置は、
複数の半導体レーザーと、
これらの半導体レーザーを、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、
前記半導体レーザーから発せられたレーザービームを各々平行光化する複数のコリメーターレンズとを備えてなるレーザー装置において、
前記ブロックの複数の半導体レーザーを固定する部分よりも前方側に、該半導体レーザーの発光軸に垂直とされた平滑な基準面が形成され、
前記複数の半導体レーザーがそれぞれ、対応するコリメーターレンズの焦点距離の各々に基づいて発光軸方向に位置調整された状態でブロックに固定され、
前記複数のコリメーターレンズが、前記基準面に倣って位置調整された状態で該基準面に固定されていることを特徴とするものである。
【００２２】
なお上記構成の本発明によるレーザー装置においては、半導体レーザーがサブマウントにジャンクションダウンで実装され、この半導体レーザーを固定したサブマウントが、各々の半導体レーザーの発光点が１列に並ぶように、前記ブロックとしてのヒートブロック上に配設されていることが望ましい。
【００２３】
またそのようにする場合は、サブマウント側から見た時に半導体レーザー先端部の発光位置を示す特徴点を認識できるように実装されていることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によるレーザー装置の製造方法は、前記ブロックの複数の半導体レーザーを固定する部分よりも前方側に、該半導体レーザーの発光軸に垂直とされた平滑な基準面を形成し、複数の半導体レーザーをそれぞれ、対応するコリメーターレンズの焦点距離測定情報に基づいて発光軸方向に位置調整してブロックに固定するようにしたので、各コリメーターレンズの焦点位置に正確に各半導体レーザーの発光点が位置する状態にそれら両者を位置合わせ可能となる。そして、その後に複数のコリメーターレンズを、前記基準面に倣って位置調整してから該基準面に固定するようにしたので、各半導体レーザーの発光点とコリメーターレンズの中心を結ぶ線が互いに平行になっている状態を作ることができる。
【００２５】
そこでこのレーザー装置の製造方法によれば、各半導体レーザーから発せられたレーザービームを正確に平行光化し、そしてそれらの平行光化されたレーザービームを互いに平行に進行させるレーザー装置を得ることができる。そのようなレーザー装置によれば、集光レンズと併せて用いることにより、複数のレーザービームを十分小さなスポット径に収束させることが不可能になる。
【００２６】
また、従来のレンズによる調整で、半導体レーザーとコリメーターレンズの固定箇所は合波本数の２倍となり、信頼性確保が困難であった。本発明では、半導体レーザー側で焦点合わせすることによって、固定箇所が半減（合波本数）し、シンプルな調芯装置構成とすることができるので、工数も少なくより信頼性の高い組立が期待できる。歩留りはべき乗で効いてくるため、固定箇所の半減の効果は大きい。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１および２はそれぞれ、本発明の第１の実施の形態によるレーザー装置の平面形状、側面形状を示すものである。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（ヒートシンク）１０の水平なレーザー固定面１０ａ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に対してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７とから構成されている。
【００２９】
また図４，５および６には、このレーザー装置を用いた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、正面形状を示してある。この合波ファイバーモジュールについては、後に詳しく説明する。
【００３０】
なお本実施の形態では、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７はそれぞれサブマウントＭ上に固定され、このサブマウントＭを介してヒートブロック１０のレーザー固定面１０ａ上に固定されている。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３に示す。なおＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７は、サブマウントＭを介さずに直接レーザー固定面１０ａ上に固定されても構わない。
【００３１】
以下、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７およびコリメーターレンズ１１〜１７の取付けについて詳しく説明する。コリメータレンズ１１〜１７の焦点距離を予め別の測定系にて測定しておく。それぞれの測定結果がコリメーターレンズ製作基準面を正にして、ｆ１に対する誤差Δｆ１１〜Δｆ１７で表されるとする。
【００３２】
サブマウントＭ上に予め実装されたＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７をヒートブロック１０上に順次並べてアレイ状にする時に、ヒートブロック１０の一面を基準面Ｓにして、コリメータレンズ１１〜１７の製作基準面を互いに突き当てにより面合わせし、この面からｆ１＝３ｍｍの位置を基準としてそれぞれ誤差Δｆ１１〜Δｆ１７分補正をかけて、光軸方向（焦点距離調整方向：図１および２の左右方向）に位置決めする。この時ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の焦点方向の位置基準は、出射端面を形成するチップエッジとなる。
【００３３】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の並び方向には、設計寸法である１．２５ｍｍピッチで位置決めする。この方向の位置決めは、後でレンズ調整する工程があるため厳しい精度は要求されない。その後調整した位置にて、サブマウントＭ上に予め実装されたＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７をヒートブロック１０にアレイ状に実装固定する。
【００３４】
本実施の形態ではヒートブロック１０の一面Ｓを基準面とした。部品精度、コストから一体のヒートブロック１０に基準面をとる事が好ましいが、基準面は別部材で構成しても構わない。
【００３５】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７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（図５参照）は、それぞれヒートブロック１０の基準面Ｓに取り付けられたコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７によって平行光化される。
【００３６】
なぜならば、この基準面Ｓに例えばコリメーターレンズ１１を突き当て状態にすることで、該コリメーターレンズ１１とＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１との間の距離は、ｆ１＋Δｆ１１すなわち、実測焦点距離に等しくなるからである。他のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ２〜７とコリメーターレンズ１２〜１７に関しても、互いの間の距離は実測焦点距離のｆ１＋Δｆ１２〜ｆ１＋Δｆ１７に設定される。したがって、コリメータレンズ１１〜１７を改めて光軸方向に調整する必要がなくなり、光軸調整固定のためのレンズホルダを必要としない構造となる。
【００３７】
次に、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７から射出されるレーザービームＢ１〜７の調整について説明する。レーザービームＢ１〜７は軸同士の平行度が重要になる。これらのビームは平行光になっているが、互いに軸同士が平行なビームとなっていないので、コリメータレンズ１１〜１７をレーザー発光軸Ｏと直交するヒートブロック１０の基準面Ｓに突き当て、各々対応するＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に対して焦点距離が変わらないようにして、各々面内位置調整固定することによって、平行ビームの方向を合わせることが必要となる。
【００３８】
この時、コリメータレンズ１１〜１７が基準面Ｓに当て付けで押し付けられるが、焦点方向の再現性を保つには、レンズ表面と基準面Ｓの表面粗さは部品製作上小さく抑える必要がある。この表面粗さは、好ましくは中心線平均粗さＲａで１μｍ以下とする。面内の位置調整は通常、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７を光らせて、コリメートされたレーザービームＢ１〜７を集光レンズを通してＮＦＰ光学系に結像し、その画像が１点に集光するように行う。こうしてコリメータレンズ１１〜１７はそれぞれ、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に対して基準面内位置調整が施され、順次固定される。コリメータレンズ１１〜１７の固定箇所はこの１箇所だけとなり、簡単な調芯装置構成とすることができるので、工数も少なくより信頼性の高い組立が期待できる。
【００３９】
なおコリメータレンズ１１〜１７の焦点距離の測定は、本実施の形態では別測定系で行っているが、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７をチップ状態でプローバなどによって給電しながらオンラインに発光させて、コリメータレンズ１１〜１７を基準として焦点方向に移動しながら、ＦＦＰ光学系などを利用してコリメータレンズ１１〜１７を通したレーザービームＢ１〜７の広がり角が最も小さくなる点を探してここを焦点位置とし、その場でヒートブロック１０に実装してしまう方法を採用してもよい。
【００４０】
次に、上記のレーザー装置を用いた紫外光高輝度合波ファイバーモジュールについて、図４，５および６を参照して詳しく説明する。これらの図４，５および６はそれぞれ、本ファイバーモジュールの側面形状、平面形状、正面形状を示すものである。
【００４１】
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。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、それぞれコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７によって平行光化される。
【００４２】
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。本例ではコリメーターレンズ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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にコリメーターレンズ１１〜１７を保持するコリメーターレンズホルダ４４が固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、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。
【００４５】
なお図４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、同様にコリメーターレンズ１１〜１７のうち１つのコリメーターレンズ１７にのみ番号を付してある。
【００４６】
図６は、上記コリメーターレンズ１１〜１７の取付部分の正面形状を示すものである。ここに示されるように各コリメーターレンズ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、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される。図７の（１）および（２）にはそれぞれ、それらを代表して１つのコリメーターレンズ１７の拡大側面形状および正面形状を、要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示してある。
【００４７】
図６および７に示される通りコリメーターレンズ１１〜１７は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の発光点の並び方向（図６の左右方向）の開口径が該方向に直角な方向（図６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。
【００４８】
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。
【００４９】
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ターレンズ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ターレンズ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。本実施の形態では具体的に、コリメーターレンズ１１〜１７の開口径は水平方向、垂直方向で各々１．１ｍｍ、４．６ｍｍ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、コリメーターレンズ１１〜１７の各焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００５０】
また図８の（１）および（２）はそれぞれ、集光レンズ２０の拡大側面形状および正面形状を、要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示すものである。ここに示されるように集光レンズ２０も、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、コリメーターレンズ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＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ２０も、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される。
【００５１】
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。本例の場合、先に述べたコア径×ＮＡの値は７．５μｍである。
【００５２】
本実施の形態の構成においては、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。
【００５３】
次に、図９および１０を参照して本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源について説明する。なおこの図９において、図１および２中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００５４】
この第２の実施の形態のレーザー装置は、図１および２に示したレーザー装置と比べると、個別に形成された７個のコリメーターレンズ１１〜１７に代えて、７つのレンズ要素５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７を有するコリメーターレンズアレイ５０が用いられた点が基本的に異なるものである。
【００５５】
コリメーターレンズアレイを使った場合の組立では、前記第１の実施の形態のように、個々のコリメータレンズ調整によって、最終的に平行光の光軸合わせを行なうことができない。そのため一般的にはコリメーターレンズアレイと半導体レーザーアレイを同一寸法設計として、パッシブ的にあわせこむ手法で実装される。この方法は最も安価で工数も少なく、組立工程としてはシンプルなものとなる。
【００５６】
しかしながらパッシブ実装を行うには、両者の組立のための基準面や位置決めマークを高精度で加工する必要があり、現実に実施するのは容易ではない。そこで、コリメーターレンズアレイと半導体レーザーアレイをレンズ要素と半導体レーザーとの関係を精度良く製作した上で、アレイ同士を調整位置決め固定して組立てる方法が考えられる。それぞれ個々の要素間の関係が決まっていれば、７つを平均的に合わせ込んで、集光合波する事が可能となる。アレイ同士の調整では３軸＋光軸まわりの回転の４軸の調芯を行うが、光軸方向調整が含まれると、レンズホルダーが別途必要となり調芯工程が複雑化してしまう。
【００５７】
一方ガラス成形コリメータレンズアレイを使った場合に懸念されることは、７つのレンズ要素間の光学性能のばらつきである。高さ方向、ピッチ方向は金型で追い込みやすく性能が許容に近いが、焦点方向のばらつきはプリフォームの重量ばらつきや経時収縮など、焦点距離の１〜３％めやすとかなり大きな設計値に対するずれが発生する。１つのアレイの中で個々に焦点距離がばらついたりすると、設計値通りに実装された半導体レーザーアレイに対して、レンズアレイを合わせ込もうとしても、７つ全部を最適に調整することができない。
【００５８】
これに対して本発明では、コリメーターレンズアレイを構成する個々のレンズ要素の焦点距離を予め測定し、焦点距離補正した形で半導体レーザーアレイ化する事で、アレイレンズのばらつきを吸収し、良好にアレイ同士の焦点合わせができるようにしたものである。また焦点合わせを半導体レーザー位置で行うので、レンズによる調芯時にレンズホルダーが不要なだけでなく、調芯が２軸＋軸周り回転とすべて同一面内での調整に変わるので、装置構成がシンプルで工数も少なくできる。
【００５９】
以下、第２の実施の形態について詳しく説明する。コリメータレンズアレイ５０のレンズ要素５１〜５７の焦点距離を予め別の測定系にて測定しておく。それぞれの測定結果がコリメーターレンズ製作基準面を正にして、ｆ１に対する誤差Δｆ５１〜Δｆ５７で表されるとする。半導体レーザーチップはサブマウントＭ上に予めジャンクションダウン実装され、この半導体レーザー付きサブマウントＭをヒートブロック１０上に順次並べてアレイ状にする時に、ヒートブロック１０の一面を基準面Ｓにして、コリメーターレンズアレイ５０の製作基準面を互いに突き当てにより面合わせし、この面からｆ１＝３ｍｍの位置を基準として誤差Δｆ５１〜Δｆ５７分補正をかけて、光軸方向（焦点距離調整方向）に半導体レーザー付きサブマウントＭを位置決めする。
【００６０】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の並び方向には、設計寸法である１．１ｍｍピッチで位置決めする。この方向の位置決めは個別レンズ調整と異なり、後で個別にレンズ調整することができず、アレイ全体での調整工程があるだけなので、厳しい実装精度が要求される。その後、調整した位置にて半導体レーザー付きサブマウントＭをヒートブロック１０に実装固定して半導体レーザーアレイにする。
【００６１】
本実施の形態ではヒートブロック１０の一面を基準面Ｓとした。部品精度、コストから一体のヒートブロック１０に基準面をとる事が好ましいが、基準面は別部材で構成しても構わない。
【００６２】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７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（図５参照）は、それぞれヒートブロック１０の基準面Ｓに取り付けられたコリメーターレンズアレイ５０のレンズ要素５１，５２，５３，５４，５５，５６および５７によって平行光化される。
【００６３】
なぜならば、コリメーターレンズアレイ５０をこの基準面Ｓに突き当て状態にした後、軸周りの回転調整をする事でＬＤ１とレンズ要素５１の間はｆ１＋Δｆ５１すなわち、実測焦点距離に等しくなるからである。他のＬＤ２〜ＬＤ７とレンズ要素５２〜５７に対しても、互いの距離は実測焦点距離のｆ１＋Δｆ５１〜ｆ１＋Δｆ５７に設定される（図９参照）。
【００６４】
したがってレンズを改めて光軸方向に調整する必要がなくなり、光軸調整固定のためのレンズホルダを必要としない構造となる。
【００６５】
次に上記に説明したアレイ状のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７から射出されるレーザービームＢ１〜７の調整について説明する。レーザービームＢ１〜７については、軸同士の平行度が重要になる。これらのレーザービームＢ１〜７は平行光になっているが、互いに光軸同士が平行なビームとなっていないので、複数のコリメーターレンズ要素５１〜５７を、ヒートブロック１０の基準面Ｓに突き当て、焦点距離が変わらないようにして、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に対して各々面内位置調整固定することによって、平行ビームの方向を合わせる事が必要となる。
【００６６】
この時コリメーターレンズアレイ５０が基準面Ｓに当て付けで押し付けられているが、焦点方向の再現性を保つには、レンズアレイ表面と基準面Ｓの表面粗さは部品製作上小さく抑える必要がある。好ましくは、中心線平均粗さＲａで１μｍ以下とする。またコリメーターレンズアレイ５０は個別レンズに比べて長さが大きくなるため、ヒートブロック１０との熱膨張差による応力発生の抑制と、接着面凹凸によるレンズの傾きや焦点方向の位置ズレなど対して、接着面積は小さい方が好ましく、接着強度を十分取れる範囲で設計する。コリメーターレンズアレイ５０は、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に対して、ヒートブロック基準面内位置調整が施され、７つの要素５１〜５７が平均的に調芯されたところで固定される。ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７とコリメーターレンズアレイ５０の固定箇所はこの１箇所だけとなり、シンプルな調芯装置構成とする事ができるので、工数も少なくより信頼性の高い組立が期待できる。
【００６７】
なおコリメーターレンズアレイ５０とＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の高さ方向位置合わせは、この構成では調整が効かないため、パッシブ的に位置合わせを行う。したがってコリメーターレンズアレイ５０とＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の高さ方向のばらつきは、ともに許容誤差範囲内に抑える必要がある。半導体レーザーアレイで高さ方向を合わせこむには通常、ジャンクションダウン実装を施す事がよいとされている。
【００６８】
しかしながら、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７を直接ヒートブロック１０にジャンクションダウン実装した場合には、焦点方向のばらつき調整による個々のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の光軸方向の位置ずれによって、必ずしもヒートブロック端面にＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７が実装されないため、ヒートブロック１０でレーザービームのケラレが発生ししまう。一旦サブマウントに端面基準でジャンクションダウン実装してやれば、サブマウントの厚みによって、焦点方向に実装位置がばらついても、サブマウント厚みの方が焦点ばらつき値に対して十分大きな値である為、半導体レーザービームのケラレの心配がなくなる。
【００６９】
ただし該サブマウント厚みのばらつきを抑える事により、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７の発光点の高さばらつきを抑えてやる構成であるので、サブマウント厚みばらつきは高さ方向要求精度以上におさえこむ必要がある。
【００７０】
以上のように、サブマウント付きの半導体レーザーアレイにする事で、焦点ばらつき調整によるレーザービームのケラレを無くしつつ、サブマウント厚みばらつきを抑えたジャンクションダウン実装によってアレイの高さ方向のばらつき抑制との両立が可能である。
【００７１】
図１１は、上述したケラレについて説明するものである。同図（ａ）と（ｂ）は、ヒートブロック１０に半導体レーザーＬＤが直接固定された場合を示し、（ｃ）と（ｄ）はヒートブロック１０にレーザーダイオードＬＤがサブマウントＭを介して固定された場合を示している。（ａ）と（ｂ）の場合は、焦点位置合わせにより半導体レーザーＬＤの位置が調整されたとき、その位置に応じてケラレが発生しないこともあるし、発生することもある。それに対して（ｃ）と（ｄ）の場合は、焦点位置合わせにより半導体レーザーＬＤの位置が調整されたとき、その位置が大きく変わってもケラレが発生しない。
【００７２】
また通常半導体レーザーは、ジャンクションアップ実装の場合は上から発光点を示す特徴点（たとえばリッジ）を見ることができるが、ジャンクションダウン実装の場合上からは発光点を示す特徴が無く、したがってチップを倒立光学系で、下からのぞき、ジャンクションアップ面を見ることで位置認識をしている。
【００７３】
しかるにサブマウントにジャンクションダウン実装された半導体レーザーを上方から見た場合、半導体レーザーはビーム発光点を示す特徴点がなく、また下方からはサブマウントに実装されているために、レーザーをジャンクションアップの状態で見ることができない。したがって実装する際の位置決め情報を上下からの認識で得られない問題がある。
【００７４】
そこで図１２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ上、横、下から見た状態を示すように、サブマウントＭに対して半導体レーザーチップＬＤを突き出した状態で実装し、下から見た時に発光点を示すリッジ等の特徴点Ｈを認識できるようにする。これによってサブマウントＭにジャンクションダウン実装した場合でも、容易に下から位置認識ができるようになる。
【００７５】
なお、ジャンクションダウン実装時に上記位置認識をするための別の構成を図１３および１４に示す。なおここでも、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ上、横、下から見た状態を示す。図１３のものは、サブマウントＭを透明部材や、あるいは赤外線を透過するＳｉ等で構成したものである。それにより、下から見た時に、発光点を示すリッジ等の特徴点Ｈを認識できるようになる。図１４のものは、サブマウントＭに切欠きや穴等の開口部Ｇを設けたものである。それにより、下から見た時に、発光点を示すリッジ等の特徴点Ｈを認識できるようになる。この開口部Ｇは、形状は矩形や円など何でもよく、極力発光部に近い位置に形成するのがよい。
【００７６】
なおコリメーターレンズの焦点距離の測定だけでなく、レンズ要素のピッチ間測定によって、ピッチ情報を事前に測定しておき、設計寸法１．１ｍｍに対するピッチ誤差Δｐ５１〜Δｐ５７としたときに、この誤差Δｐ５１〜Δｐ５７分補正をかけて、ピッチ方向（半導体レーザーのアレイ並び方向）に位置決めする。これによってアレイレンズが焦点方向、ピッチ方向に対して設計寸法通りにできない場合でも、事前の測定データを元に半導体レーザーアレイ実装の過程で補正をかけ、アレイ同士の調整をすることができる。
【００７７】
次に、図１５および１６を参照して本発明の第３の実施の形態による合波レーザー光源について説明する。この第３の実施の形態のレーザー装置は、図９および１０に示したレーザー装置と比べると、個別に形成された７個のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜７に代えて、７つの発光部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７を有するマルチキャビティダイオードＭＣＤが用いられた点が基本的に異なるものである。
【００７８】
コリメーターレンズアレイ５０とマルチキャビティダイオード７０を使った組立では、前記第１の実施の形態のように、個々のコリメータレンズ調整によって、最終的に平行光の光軸合わせをすることができない。そのため一般的には、コリメーターレンズアレイ５０とマルチキャビティダイオード７０を同一寸法設計として、パッシブ的にあわせこむ手法で実装される。この方法は最も安価で工数も少なく、組立工程としてはシンプルなものとなる。
【００７９】
しかしながらパッシブ実装を行なうには、両者の組立のための基準面や位置決めマークを高精度で加工する必要があり、現実には行うのが困難である。そこでコリメーターレンズアレイ５０とマルチキャビティダイオード７０を、各々レンズ要素と半導体レーザー要素との関係を精度良く製作した上で、アレイ同士を調整位置決め固定して組立てる方法が考えられる。それぞれ個々の要素間の関係が決まっていれば、７つを平均的に合わせ込んで、集光合波することが可能となる。アレイ同士の調整では３軸＋光軸まわりの回転の４軸の調芯を行うが、光軸方向調整が含まれると、レンズホルダーが別途必要となり調芯工程が複雑化してしまう。
【００８０】
一方ガラス成形コリメータレンズアレイを使った場合に懸念されることは、７つのレンズ要素間の光学性能のばらつきである。高さ方向、ピッチ方向は金型で追い込みやすく性能が許容に近いが、焦点方向のばらつきはプリフォームの重量ばらつきや経時収縮など、焦点距離の１〜３％目安とかなり大きな設計値に対するずれが発生する。１つのアレイの中で個々に焦点距離がばらついたりすると、リソグラフィー精度でほぼ設計値とおりに出来上がるマルチキャビティダイオードに対して、レンズアレイを合わせ込もうとしても、７つ全部を最適に調整することができない。したがって要素同士のばらつきを小さく製作する事が最低条件となる。そのうえで、個々のレンズ間の焦点のばらつきに対しては第１、第２の実施の形態と同じ考え方で補正が可能である。
【００８１】
すなわち本実施の形態では、コリメーターレンズアレイ５０を構成する個々のレンズ要素の焦点距離を予め測定し、この焦点距離の平均値と設計上の焦点距離ｆ１との誤差Δｆとすると、Δｆを補正した形でマルチキャビティダイオード７０をヒートブロック１０に実装することで、アレイレンズの焦点方向のずれを補正した形でつくれば、レンズアレイを基準面に突き当てるだけで、良好にアレイ同士の焦点合わせができるようになる。また焦点合わせをマルチキャビティダイオード７０のヒートブロック１０への実装位置で行うので、レンズによる調芯時にレンズホルダーが不要なだけでなく、調芯が２軸＋軸周り回転とすべて同一面内での調整に変わるので、装置構成がシンプルで工数も少なくできる。
【００８２】
以下、調整作業について詳しく説明する。コリメータレンズアレイ５０のレンズ要素５１〜５７の焦点距離を予め別の測定系にて測定しておく。それぞれの測定結果の平均値を求め、コリメーターレンズ製作基準面を正にして、焦点距離ｆ１に対する平均値との差分を誤差Δｆで表わすものとする。マルチキャビティダイオード７０はサブマウントＭ上に予めジャンクションダウン実装され、このマルチキャビティダイオード付きサブマウントＭをヒートブロック１０上に実装する時に、マルチキャビティダイオード用ヒートブロック１０の一面Ｓを基準面にして、コリメーターレンズアレイ５０の製作基準面を互いに突き当てにより面合わせし、この面からｆ１＝３ｍｍの位置を基準として誤差Δｆ分の補正をかけて、光軸方向（焦点距離調整方向）にマルチキャビティダイオード付きサブマウントＭを位置決めする。
【００８３】
ピッチ方向には設計寸法である１．１ｍｍピッチで発光点の並んだマルチキャビティダイオード７０を使っており、アレイ全体での調整工程があるので、ピッチ方向の位置決めは半導体レーザーアレイの調整と異なり、それほど厳しい実装精度で実装しなくても問題ない。その後調整した位置にてマルチキャビティダイオード付きサブマウントＭをヒートブロック１０に実装固定する。
【００８４】
以上、合波本数を７本とした実施の形態について説明したが、本発明のレーザー装置を用いる場合の合波本数はこの７本に限られるものではなく、２本以上のいずれの数が選択されてもよい。
【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レーザー装置を示す平面図
【図２】図１のレーザー装置の側面図
【図３】図１のレーザー装置の一部を示す斜視図
【図４】上記レーザー装置を備えた紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの側面図
【図５】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６】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの部分正面図
【図７】上記合波レーザー光源に用いられたコリメーターレンズの側面図（１）と正面図（２）
【図８】上記合波レーザー光源に用いられた集光レンズの側面図（１）と正面図（２）
【図９】本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置を示す平面図
【図１０】図９のレーザー装置の側面図
【図１１】レーザー素子の実装構造によるレーザービームのケラレを説明する図
【図１２】サブマウントに対するレーザー素子の実装構造例を示す概略図
【図１３】サブマウントに対するレーザー素子の実装構造例を示す概略図
【図１４】サブマウントに対するレーザー素子の実装構造例を示す概略図
【図１５】本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置を示す平面図
【図１６】図１５のレーザー装置の側面図
【符号の説明】
１０　　ヒートブロック
１１〜１７　　コリメーターレンズ
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバー
３０ａ　　マルチモード光ファイバーのコア
５０　　コリメーターレンズアレイ
７０　　マルチキャビティダイオード
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
Ｍ　　サブマウント
Ｓ　　基準面
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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