(57)【要約】【課題】複数のレーザーダイオード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、コリメーターレンズを、光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせ可能とする。【解決手段】複数のレーザーダイオード１２と、これらのレーザーダイオード１２を、発光点１２ａが一方向に並ぶ状態に固定保持したブロック１１と、レーザーダイオード１２からのレーザービーム１２Ｂを各々平行光化するコリメーターレンズ１４ａが複数一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイ１４とを備えてなるレーザー装置において、ブロック１１のレーザーダイオード固定部分よりも前方側に、該レーザーダイオード１２の発光点１２ａから所定距離離して、その発光軸Ｏに垂直とされた平滑なレンズ規定面１１ｂを形成する。そしてこのレンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ１４の一端面を合わせた状態で、該アレイ１４をブロック１１に固定する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、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、
前記レーザーダイオードから発せられたレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイ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レーザーダイオードを固定した部分よりも前方側に、該レーザーダイオードの発光点から所定距離離れて、該レーザーダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成され、
このレンズ規定面に前記コリメーターレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメーターレンズアレイが前記ブロックに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】
前記レンズ規定面の平面度が０．５μｍ以下と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】
前記ブロックのレーザーダイオードを固定する面の平面度が０．５μｍ以下と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】
前記複数のレーザーダイオードが、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップからな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】
前記マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることを特徴とする請求項４記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記複数のレーザーダイオードが、１つの発光点を有するシングルキャビティレーザーダイオードチップが複数並設されたものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記複数のレーザーダイオードが、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が前記発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されたものであり、
前記コリメーターレンズアレイが、前記複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に並べて複数配設されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のレーザー装置。
【請求項８】
前記レーザーダイオードとして、チップ状態の窒化物系化合物レーザーダイオードが用いられ、
このレーザーダイオードがサブマウントを介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック上に実装され、
前記サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成され、
このサブマウントに対して前記レーザーダイオードが、両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を複数に分割して、ジャンクションダウン構造で分割接着されていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載のレーザー装置。
【請求項９】
前記レーザーダイオードの発光部の直下において、前記ＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を分割する溝が設けられていることを特徴とする請求項８記載のレーザー装置。
【請求項１０】
前記サブマウントがＡｌＮからなることを特徴とする請求項８または９記載のレーザー装置。
【請求項１１】
前記サブマウントが前記ＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロックに対して、ＡｕＳｎ共晶点半田によって接着されていることを特徴とする請求項８から１０いずれか１項記載のレーザー装置。
【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、複数のレーザーダイオードが複数個並べてブロックに固定されてなるレーザー装置に関するものである。
【０００２】
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
特願２０００−２７３８４９号のレーザー装置は、複数のレーザーダイオードと、１本のマルチモード光ファイバーと、上記複数のレーザーダイオード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、上記複数のレーザーダイオードは、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レーザーダイオードチップが、複数個並べて固定されてなるものである。
【００１２】
上記のように、複数のレーザーダイオード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、通常複数のレーザーダイオードは、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。
【００１３】
また、複数のレーザーダイオード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、まず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する必要がある。その際各コリメーターレンズは、互いに別個に配設されてもよいし、あるいは複数が一列に並ぶ状態に一体化されてコリメーターレンズアレイを構成していてもよいが、とにかく、レンズ光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせする必要がある。もしこの位置合わせが正確になされないと、複数のレーザービームを小さなスポットに集束させることができないので、例えばそれらのレーザービームで前述のように感光材料を感光させて画像露光する場合は、精細な画像露光が不可能になる等の問題が生じる。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、複数のレーザーダイオード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、コリメーターレンズを、光軸が各レーザーダイオードの発光軸上に位置する状態に正確に位置合わせ可能とすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザー装置は、前述したように、
複数のレーザーダイオードと、
これらのレーザーダイオードを、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、
上記レーザーダイオードから発せられたレーザービームを各々平行光化するコリメーターレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されてなるコリメーターレンズアレイとを備えてなるレーザー装置において、
上記ブロックの複数のレーザーダイオードを固定した部分よりも前方側（レーザービームの射出方向側）に、該レーザーダイオードの発光点から所定距離離れて、該レーザーダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成され、
このレンズ規定面に前記コリメーターレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメーターレンズアレイが前記ブロックに固定されていることを特徴とするものである。
【００１６】
なお上記ブロックのレンズ規定面の平面度は、０．５μｍ以下とされていることが望ましい。また該ブロックのレーザーダイオードを固定する面の平面度も０．５μｍ以下とされていることが望ましい。
【００１７】
また上記複数のレーザーダイオードは、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップからなることが好ましい。その場合は、マルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、前記ブロックに固定されていることがさらに望ましい。
【００１８】
あるいはそれに限らず、上記複数のレーザーダイオードは、１つの発光点を有するシングルキャビティレーザーダイオードチップが複数並設されたものであってもよい。
【００１９】
そして上述のような複数のレーザーダイオードは、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が前記発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数並べて配設されていることが望ましい。
【００２０】
さらに本発明のレーザー装置においては、複数のレーザーダイオードが前述のブロックに対して、ジャンクションダウン構造で固定されていることが望ましい。なお、このジャンクションダウン構造とは、基板側ではなく、素子形成面側（ｐｎ接合側）を熱伝導率が大きい放熱用マウントに固定する構造である。
【００２１】
また本発明のレーザー装置においては、レーザーダイオードとして、チップ状態の窒化物系化合物レーザーダイオードが用いられ、
このレーザーダイオードがサブマウントを介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック上に実装され、
前記サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成され、
このサブマウントに対して前記レーザーダイオードが、両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を複数に分割して、ジャンクションダウン構造で分割接着されていることが望ましい。
【００２２】
そのような構成とする場合、サブマウントはＡｌＮからなるものであることが望ましい。
【００２３】
また上記サブマウントは前記ＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロックに対して、ＡｕＳｎ共晶点半田によって接着されていることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のレーザー装置は、ブロックの複数のレーザーダイオードを固定した部分よりも前方側に、該レーザーダイオードの発光点から所定距離離れて、該レーザーダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成され、このレンズ規定面にコリメーターレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメーターレンズアレイが前記ブロックに固定されるものであるので、上記状態にしておきながらコリメーターレンズアレイを動かすことにより、コリメーターレンズをレーザーダイオードの発光軸に垂直な面内で移動させて、レンズ光軸が上記発光軸に一致する状態に正確かつ簡単に位置合わせすることができる。
【００２５】
そしてこの位置合わせが完了した後に、上記状態を保ったままコリメーターレンズアレイをブロックに固定すれば、コリメーターレンズアレイは必ずその上記一端面がレーザーダイオードの発光点から上記所定距離だけ離れた状態で固定されることになる。したがって上記所定距離を、コリメーターレンズの焦点位置がレーザーダイオードの発光点に来るようになる距離にしておけば、コリメーターレンズの光軸方向位置も必ず適正な位置、つまり発散光であるレーザービームを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００２６】
なおコリメーターレンズアレイを上記ブロックに固定するためには、コリメーターレンズアレイの上記一端面とブロックのレンズ規定面とを固着してもよいし、あるいは該アレイの上記一端面とは別の例えば光軸に平行な面を、ブロックにおいてレーザーダイオードの発光軸と平行に形成された固定面に固着してもよい。
【００２７】
ここで、上記ブロックのレンズ規定面の平面度が０．５μｍ以下とされている場合は、このブロックにコリメーターレンズアレイを固定する際の該アレイの動きを抑制して、正確に位置合わせすることが可能になる。
【００２８】
また、ブロックのレーザーダイオードを固定する面の平面度が０．５μｍ以下とされている場合は、このブロックにレーザーダイオードを例えばロウ材で固定する際の該レーザーダイオードの動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００２９】
また複数のレーザーダイオードが、複数の発光点を有することによりそれ自身高出力であるマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数、ブロックに固定されてなる場合は、特に高い出力が得られるものとなる。
【００３０】
また複数のレーザーダイオードが、それぞれの発光点が一方向に並ぶ状態に配置され、かつこの配置状態が発光点の並び方向と交わる方向に複数並んだ状態に配置されて全体で２次元に配列したものとされ、それとともにコリメーターレンズアレイも複数のレーザーダイオードに対応させて、コリメーターレンズの並び方向と交わる方向に複数配設されている場合は、より多数のレーザーダイオードを高密度に配置して特に高出力の合波ビームを得ることが可能になる。
【００３１】
また本発明のレーザー装置において、レーザーダイオードとして、チップ状態の窒化物系化合物レーザーダイオードが用いられ、このレーザーダイオードがサブマウントを介してＣｕまたはＣｕ合金製放熱ブロック上に実装され、前記サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成され、このサブマウントに対して前記レーザーダイオードが、両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田およびメタライズ層を複数に分割して、ジャンクションダウン構造で分割接着されている場合は、コストが低く熱伝導性も高いＣｕまたはＣｕ合金から形成された放熱ブロックを用いたことにより、レーザーダイオードが発する熱を良好に放熱することができ、そして安価に作製可能となる。またこの場合は、サブマウントに対してレーザーダイオードがジャンクションダウン構造で固定されていることにより、レーザーダイオードの基板側をサブマウントに固定する場合と比べてその発光部がサブマウントに、ひいては放熱ブロックに対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【００３２】
またＡｕＳｎ共晶点半田は経時位置変化特性に優れているので、それによりレーザーダイオードとサブマウントとが接着されていれば、レーザーダイオードの発光点位置の経時的変動を効果的に抑制できるものとなる。
【００３３】
さらに上記の構成においては、サブマウントが、熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃である材料を用いて２００〜４００μｍの厚さに形成されていることにより、半田接着時の熱歪によってレーザーダイオードが劣化することも防止可能となる。その理由については、後に示す本発明の実施の形態に沿って詳しく説明する。
【００３４】
さらに、サブマウントとレーザーダイオードの両者の接着面内でＡｕＳｎ共晶点半田が複数に分割されていれば、この接着部で発生する歪を小さく抑えることも可能になる。
【００３５】
【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。
【００３６】
図１、２および３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１０の側面形状、正面形状および平面形状を示すものである。図示されるようにこのレーザー装置１０は、銅からなるヒートブロック（ステム）１１上に、一例として２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２，１２と、合成樹脂あるいはガラスからなるコリメーターレンズアレイ１４とが固定されてなる。
【００３７】
マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、一例としてＧａＮ系レーザーダイオードからなる発振波長が４０５ｎｍのもので、５個のキャビティを備えたもの、つまり５個の発光点１２ａを有するものとされている。そして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、それぞれの発光点１２ａの並び方向と同じ方向に並べて固定されている。本実施の形態において、上記５個の発光点１２ａは０．３５ｍｍのピッチで形成され、各々から出力３０ｍＷのレーザービーム１２Ｂが発せられる。
【００３８】
一方ヒートブロック１１は、上記２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を固定する水平なレーザー固定面１１ａと、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を固定した部分よりも前方側（レーザービーム１２Ｂの射出方向）に形成されたレンズ規定面１１ｂと、上記発光点１２ａから発散光状態で射出されるレーザービーム１２Ｂのケラレを回避する凹部１１ｃとを有している。
【００３９】
上記レーザー固定面１１ａは、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２は、熱拡散性を確保してその温度上昇を抑制するために、それぞれレーザー固定面１１ａにロウ材を用いて固定され、また両チップ１２、１２どうしもロウ材により固定される。
【００４０】
上記レンズ規定面１１ｂは、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の各発光点１２ａから所定距離離れて、該マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光軸Ｏに垂直に形成されている。またこのレンズ規定面１１ｂも、平面度が０．５μｍ以下である高平坦面に加工されている。
【００４１】
またコリメーターレンズアレイ１４は、１０個のコリメーターレンズ１４ａが一列に一体的に固定されてなるものである。本実施の形態において１つのコリメーターレンズ１４ａは、軸対称レンズの光軸を含む一部を細長く切り取った形状とされ、その焦点距離ｆは０．９ｍｍ、有効高さは１．１ｍｍで、レーザービーム１２Ｂの断面形状に合わせて縦横比が例えば３：１とされている。これら１０個のコリメーターレンズ１４ａのうち左側５個のピッチ、右側５個のピッチは、それぞれマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の発光点ピッチに合わせて０．３５ｍｍ（誤差は０．２μｍ以下）とされている。またこれら左側５個、右側５個のコリメーターレンズ１４ａの間には、２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の間の隙間に対応させて、０．０５ｍｍの隙間１４ｃが設けられている。
【００４２】
さらにコリメーターレンズアレイ１４は、１０個のコリメーターレンズ１４ａが並んだ部分から左右に張り出した部分を有し、この部分の後方端面は高平坦面に加工されて、ヒートブロック１１への取付端面１４ｂとされている。コリメーターレンズアレイ１４は、これら２箇所の取付端面１４ｂを前記レンズ規定面１１ｂに接着剤を用いて接着する等により、ヒートブロック１１に固定される。
【００４３】
その際、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の１０本の発光軸Ｏと、各コリメーターレンズ１４ａの光軸とが一致する状態にコリメーターレンズアレイ１４を位置合わせする必要がある。本実施の形態の場合は、コリメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂをレンズ規定面１１ｂに押しつけながら、このコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かして、上述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００４４】
ヒートブロック１１におけるコリメーターレンズアレイ１４の固定位置とレンズ規定面１１ｂとの位置関係は、上記のようしてコリメーターレンズアレイ１４がヒートブロック１１に固定されたとき、各コリメーターレンズ１４ａの焦点位置がマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２の各発光点１２ａに来るように設定されている。そこで、コリメーターレンズアレイ１４がヒートブロック１１に固定されると、コリメーターレンズ１４ａの光軸方向位置は、自動的に適正な位置、つまり発散光であるレーザービーム１２Ｂを正確に平行光化する位置に設定されることになる。
【００４５】
なおコリメーターレンズアレイ１４をヒートブロック１１に固定するためには、上記のようにコリメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂをヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂに固着する他、それらの面とは異なる面どうしを固着するようにしてもよい。例えば、ヒートブロック１１に図１において右方に張り出したマウント部を形成しておき、コリメーターレンズアレイ１４の光軸に平行な面、例えば図１中の下端面をそのマウント部の上面に固着してもよい。
【００４６】
ここで本実施の形態では、ヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂが前述の通りの高平坦面とされているので、このヒートブロック１１にコリメーターレンズアレイ１４を固定する際の該アレイ１４の動きを抑制して、正確に上記位置合わせを行うことが可能になる。
【００４７】
また、ヒートブロック１１のレーザー固定面１１ａも前述の通りの高平坦面とされているので、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２をヒートブロック１１に固定する際の該チップ１２の動きを抑制して、それを正確な位置に固定することができる。
【００４８】
以上説明した本実施の形態のレーザー装置１０は図１に示されている通り、複数のレーザービーム１２Ｂを１本に合波して、高強度のレーザービームを得るために使用されている。すなわち、このレーザー装置１０のヒートブロック１１はベース板２１上に固定され、該ベース板２１上にはさらに集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ２２と、ファイバーホルダ２３ａとが固定されている。そしてこのファイバーホルダ２３ａ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２３が固定されている。
【００４９】
上記の構成において、コリメーターレンズアレイ１４の各コリメーターレンズ１４ａによって平行光とされた１０本のレーザービーム１２Ｂ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（図示せず）の入射端面上で収束する。これらのレーザービーム１２Ｂはマルチモード光ファイバー３０のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービーム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。
【００５０】
本実施の形態において、集光レンズ２０は幅が６ｍｍ、有効高さが１．８ｍｍ、焦点距離が１４ｍｍのトランケート型レンズである。またマルチモード光ファイバー３０はコア径が５０μｍ、ＮＡ（開口数）が０．２のものである。１０本のレーザービーム１２Ｂは集光レンズ２０により集光されて、マルチモード光ファイバー３０のコア端面に集光スポット径約３０μｍで収束する。これらのレーザービーム１２Ｂのファイバー結合における損失、およびコリメーターレンズ１４ａ並びに集光レンズ２０を透過する際の損失の合計は１０％である。その場合、各レーザービーム１２Ｂの出力が前述のように３０ｍＷであるならば、２７０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５１】
なお、発光点を５個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２を２つ用いる代わりに、発光点を１０個有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを１つ用いてもよい。しかし、マルチキャビティレーザーダイオードチップは発光点が増えてチップ幅が大きくなるほど、作製に際して一般に「スマイル」と称される撓みが発生しやすい。この撓み発生を防止する上では、比較的発光点の少ないマルチキャビティレーザーダイオードチップを複数並べて使用するのが好ましい。
【００５２】
また、マルチキャビティレーザーダイオードチップの発光点数や、それを複数設置する場合の設置数は勿論上記の例に限定されるものではなく、例えば７個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを２つ設置して、１４本のレーザービームを発生させることも可能である。さらには、５個の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップを３つ設置して、１５本のレーザービームを発生させることも可能である。この後者の場合、上記実施の形態と同様に１本のレーザービームの出力が３０ｍＷで、損失１０％で１本に合波するものとすると、４０５ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られる。
【００５３】
なお、図１に示される合波モジュールの全体を密閉容器内に気密封止して配置することにより、長寿命化を達成することができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４および５はそれぞれ、本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置１０’の側面形状および正面形状を示すものである。なおこれらの図４および５において、図１〜３中の要素と同等の要素には同番号を付し、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）。またこの第２の実施の形態によるレーザー装置１０’の平面形状は、第１の実施の形態によるレーザー装置１０の平面形状（図３参照）と基本的に同じであるので、図示は省略する。
【００５５】
この第２の実施の形態によるレーザー装置１０’は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると基本的に、２つ並設されたマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２が上下に２段配置されている点が異なるものである。つまりここでは、前述したものと同様のヒートブロック１１の上に別のヒートブロック１１’が積み重ねて固定され、該ヒートブロック１１’に、ヒートブロック１１に対するのと同じにして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２およびコリメーターレンズアレイ１４が固定されている。なおヒートブロック１１’はヒートブロック１１と同様にレーザービーム１２Ｂのケラレを回避する凹部１１ｃを有する他、下段のヒートブロック１１に固定されるマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２との干渉を避けるための凹部１１ｄを有している。
【００５６】
本実施の形態でも、ヒートブロック１１および１１’の各レンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ１４を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２に対する前述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００５７】
本実施の形態において、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、コリメーターレンズアレイ１４、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０の仕様は、第１の実施の形態におけるのと同じである。したがってこの場合は、合計２０個の発光点からの各レーザービーム１２Ｂの出力が３０ｍＷであるならば、５４０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６および７はそれぞれ、本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置１０”の側面形状および正面形状を示すものである。なおこの第３の実施の形態によるレーザー装置１０”の平面形状は、前記第１の実施の形態によるレーザー装置１０の平面形状（図３参照）と基本的に同じであるので、図示は省略する。
【００５９】
この第３の実施の形態によるレーザー装置１０’は、図１〜３に示したレーザー装置１０と比べると基本的に、２つ並設されたマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２が上下に３段配置されている点が異なるものである。つまりここでは、前述したものと同様のヒートブロック１１の上に別のヒートブロック１１’が２つ積み重ねて固定され、それらのヒートブロック１１’に各々、ヒートブロック１１に対するのと同じにして２個のマルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、１２およびコリメーターレンズアレイ１４が固定されている。なお上記ヒートブロック１１’は、第２の実施の形態で用いられているものと同じである。
【００６０】
本実施の形態でも、ヒートブロック１１および２つのヒートブロック１１’の各レンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ１４を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ１４をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２に対する前述の位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００６１】
本実施の形態において、マルチキャビティレーザーダイオードチップ１２、コリメーターレンズアレイ１４、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０の仕様は、第１の実施の形態におけるのと同じである。したがってこの場合は、合計３０個の発光点からの各レーザービーム１２Ｂの出力が３０ｍＷであるならば、８１０ｍＷの高出力、高輝度の合波レーザービームが得られることになる。
【００６２】
以上、マルチキャビティレーザーダイオードチップを用いる実施の形態について説明したが、本発明においてはシングルキャビティレーザーダイオードを並設して用いることも可能である。図８は、そのように構成された本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置４０を示すものである。
【００６３】
この第４の実施の形態においては、ヒートブロック１１のレーザー固定面１１ａに、一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７が配列固定されている。そしてこのヒートブロック１１には、７つのコリメーターレンズ５０ａが一列に一体的に固定されてなるコリメーターレンズアレイ５０が固定されている。このコリメーターレンズアレイ５０は、前述したメーターレンズアレイ１４の取付端面１４ｂと同様にレンズ配置部分から左右に張り出した取付端面５０ｂを有し、この取付端面５０ｂをレンズ規定面１１ｂに接着等によって固着することにより、ヒートブロック１１に固定される。
【００６４】
ＧａＮ系レーザーダイオード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系レーザーダイオード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アレイ５０の各コリメーターレンズ５０ａによって平行光化される。
【００６５】
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。
【００６６】
本実施の形態でも、上述のようにしてヒートブロック１１のレンズ規定面１１ｂにコリメーターレンズアレイ５０を固定する際に、該レンズ規定面１１ｂで位置規定しながらコリメーターレンズアレイ５０をレンズ光軸に垂直な面内で上下左右に動かすことにより、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１〜７に対する各コリメーターレンズ５０ａの位置合わせを正確かつ簡単に行うことができる。
【００６７】
また本発明は、光ファイバーを用いて複数本のレーザービームを１本に合波する構成に限らず、平行光化した複数本のレーザービームを集光レンズによって集光し、それらの各レーザービームを例えば複数の変調部が１次元に配列されてなる空間変調素子の各変調部で収束させて、独自に変調するような構成に適用することも可能である。そのような空間変調素子としては、ライン状の液晶空間変調素子やＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）やＧＬＶ（グレーティング・ライトバルブ）等が用いられ得る。
【００６８】
また本発明に用いるコリメーターレンズアレイは、前述した図１や図８の集光レンズ２０と一体化して、集光作用も備えるように形成されてもよい。
【００６９】
さらに本発明は、平行光化した後の複数本のレーザービームを特に集光はしない構成においても同様に適用可能で、その場合にも前述した本発明の効果を得ることができる。
【００７０】
また本発明のレーザー装置において、レーザーダイオードとしては、ＧａＮ系レーザーダイオードに限らず、その他の種類のものを適用することも勿論可能である。
【００７１】
次に、本発明のレーザー装置におけるレーザーダイオードの好ましい実装構造について説明する。図９は、窒化物系化合物レーザーダイオードの一つであるＧａＮ系レーザーダイオードＬＤが、Ｃｕ放熱ブロック１０上に実装された状態を示す正面図である。なおここではシングルキャビティのＧａＮ系レーザーダイオードＬＤについて説明するが、この実装構造はマルチキャビティレーザーダイオードにも適用可能である。
【００７２】
まず図１０に示すように、ＡｌＮサブマウント９の下表面にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４が形成され、またその上表面にはＡｕ／Ｎｉメッキ層５０５および段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６が形成される。ここで、本発明でいうところのサブマウントの厚さは、上記各層５０４〜５０６は含まない厚さ、つまり図１０のｄ寸法である。
【００７３】
上記のように段差を有するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６は、例えば一様に厚く該メタライズ層５０６を形成した後、低くする部分をイオンミリングのようなドライプロセスあるいはエッチャントによるウェットプロセスによって除去する方法や、さらには、低くする方の層の高さ分だけメタライズした後、低くする部分をマスキングした上で再度メタライズする方法等を適用して形成することができる。
【００７４】
次いでＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分と低い部分に、それぞれパッド状の共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７を配置する。これらのパッド状共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７は例えば１５０×５００μｍの大きさに形成され、互いに例えば１０μｍの間隔を置いて配置される。そしてこれらの共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７の上に、一例として概略４００×６００×１００μｍのサイズのチップ状ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１を配置し、３３０℃に加熱して共晶点ＡｕＳｎ半田５０７，５０７を融解させることにより、該ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤ１をＡｌＮサブマウント９に接着固定する。
【００７５】
次いで、上表面にＡｕ／Ｎｉメッキ層５０８およびＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０９が形成されているＣｕ放熱ブロック１０の上に共晶点ＡｕＳｎ半田５１１を配置し、その上にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４を下にしてＡｌＮサブマウント９を配置し、３１０℃に加熱して共晶点ＡｕＳｎ半田５１１を融解させることにより、ＡｌＮサブマウント９をＣｕ放熱ブロック１０に接着固定する。以上により、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤがＡｌＮサブマウント９を介してＣｕ放熱ブロック１０に実装される。
【００７６】
なおＡｕＳｎ半田の融解点はＡｕとＳｎとの組成比に応じて変化する。そこで、ＡｌＮサブマウント９のＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６および５０４の膜厚を互いに独立に制御するとともに、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１の融解時の温度を制御することにより、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７が融解した後の状態、共晶点ＡｕＳｎ半田５１１が融解した後の状態における各Ａｕ組成比を共晶点組成より数％程度高い組成にすることで、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１の融解後の融解温度に差を持たせることができる。
【００７７】
このような融解温度差を生じさせることにより、ＡｌＮサブマウント９にＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを接着する時と、ＡｌＮサブマウント９をＣｕ放熱ブロック１０に接着する時とで同じ共晶点ＡｕＳｎ半田を用いても、互いに融解温度差を付けて（後者の接着時の方が低い）実装することが可能となる。そうであれば、発光点位置が経時的に変動しやすい低融点半田を用いなくて済むので、発光点位置変動を抑える上で有利となる。
【００７８】
また本例の実装構造においてＧａＮ系レーザーダイオードＬＤは、Ａｌ２Ｏ３からなる基板側が上に位置する向きに配置され、素子形成面側（ｐｎ接合側）がＣｕ放熱ブロック１０に固定されて、いわゆるジャンクションダウン構造で実装がなされる。
【００７９】
またこの構造において、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点は、図９において概略Ｑで示す位置にある。そして共晶点ＡｕＳｎ半田５０７、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６およびＡｕ／Ｎｉメッキ層５０５には、それらを分割する溝５１２が形成され、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤはその発光部の直下に上記溝５１２が位置するように接着される。つまり、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光部は直接サブマウント側に接着しないので、さらなる応力低減が実現される。また上記の溝５１２が形成されていれば、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光端面がＡｌＮサブマウント９の端面より内側に位置する場合でも、発光ビームがＡｌＮサブマウント９によってケラレることを防止できる。
【００８０】
なおＧａＮ系レーザーダイオードＬＤのｎ側電極を、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分に対面する位置に形成するとともに、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０６の高い部分と低い部分とを互いに絶縁された状態に形成して、それらの両部分にそれぞれｎ側電極、ｐ側電極を導通させるようにしてもよい。
【００８１】
本例では、コストが低く熱伝導性も高いＣｕから形成された放熱ブロック１０を用いているので、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤが発する熱を良好に放熱することができ、そしてレーザー装置を安価に作製可能となる。
【００８２】
また本例では、ＡｌＮサブマウント９に対してＧａＮ系レーザーダイオードＬＤがジャンクションダウン構造で固定されていることにより、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板側をＡｌＮサブマウント９に固定する場合と比べて該ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光部がサブマウント９に、ひいては放熱ブロック１０に対してより近接して位置するので、この点からも良好に放熱がなされるものとなる。
【００８３】
またＡｕＳｎ共晶点半田５０７は経時位置変化特性に優れているので、それによりＧａＮ系レーザーダイオードＬＤとＡｌＮサブマウント９とが接着されれば、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点位置の経時的変動を効果的に防止できるものとなる。
【００８４】
図１１のａは、上記のように実装されたＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを−４０〜８０℃の条件下で経時試験にかけた際の、発光点位置の上下方向移動量を測定した結果を示すものである。なお同図の横軸は半田材質による発光点位置移動量の正規確率分布（％）を示し、縦軸が発光点位置の移動量を示している。また、ＡｕＳｎ共晶点半田５０７に代えて低融点半田を用いた場合の発光点位置の移動量を、同図中にｂで示してある。ここに示されている通り、本例のＧａＮ系レーザーダイオードＬＤでは、低融点半田を用いたものと比較して、発光点位置移動量が極めて少なく抑えられている。
【００８５】
次に図１２は、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実装した際に熱歪によってＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用する応力が、サブマウントの熱膨張係数に応じてどのように変化するかを、計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しては、ＡｌＮサブマウント９、Ｃｕ放熱ブロック１０、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４、５０６および５０９、Ａｕ／Ｎｉメッキ層５０５および５０８、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１に加えて、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数（ＡｌＮサブマウント９の熱膨張係数は除く）およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【００８６】
図１２に示される通り、サブマウントの熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃の範囲にある場合は上記応力が約３２ＭＰａ以下と、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントを熱膨張係数が３．５〜６．０×１０−６／℃の範囲にある材料から形成することが望ましい。
【００８７】
また、サブマウントの熱膨張係数が４．０〜５．４×１０−６／℃の範囲にあれば、上記応力は約２９．５ＭＰａ以下となるのでより好ましく、サブマウントの熱膨張係数が４．４〜４．８×１０−６／℃の範囲にあれば、上記応力はほぼ２８ＭＰａとなるのでさらに好ましい。本例でサブマウントに用いているＡｌＮの熱膨張係数は４．５×１０−６／℃であり、上記の最も好ましい範囲にある。
【００８８】
また図１３は、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実装した際に熱歪によってＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用する応力が、該ＡｌＮサブマウント９の厚さに応じてどのように変化するかを、同様に計算機によるシミュレーションで求めた結果を示すものである。このシミュレーションに際しても、ＡｌＮサブマウント９、Ｃｕ放熱ブロック１０、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層５０４、５０６および５０９、Ａｕ／Ｎｉメッキ層５０５および５０８、共晶点ＡｕＳｎ半田５０７および５１１に加えて、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの基板、下部クラッド層、発光層、上部発光層、絶縁膜の全てについて厚さ、熱膨張係数およびヤング率を求め、それらの数値を使用した。
【００８９】
図１３に示される通り、ＡｌＮサブマウント９の厚さが２００〜４００μｍの範囲にある場合は上記応力が約３４ＭＰａ以下と、ＧａＮ系レーザーダイオードＬＤを実使用する上で特に問題の無い範囲に抑えられる。この値を超える応力がＧａＮ系レーザーダイオードＬＤの発光点に作用すると、そこに応力発生しやすくなる。この点に鑑みて本発明では、サブマウントの厚さを２００〜４００μｍの範囲に設定することが望ましい。また、ＡｌＮサブマウント９の厚さが２５０〜３５０μｍの範囲にあれば、上記応力は約３２ＭＰａ以下となるのでより好ましい。
【００９０】
なおＡｌＮサブマウント９は、Ｃｕ放熱ブロック１０から大きな圧縮応力を受ける。ＡｌＮサブマウント９はＧａＮ系レーザーダイオードＬＤからの圧縮応力も受けるが、それは一般にはＣｕ放熱ブロック１０から受ける圧縮応力よりも小さいものとなっている。
【００９１】
例えば図８に示したように、複数のレーザーダイオードからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上でマルチモード光ファイバーに結合させるような構成においては、発光点位置の経時的変動が有ると、それによって結合効率が低下してしまう。そこで、発光点位置の経時的変動を前述の通りにして抑制できれば、結合効率が低下することを防止できる。
【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の側面図
【図２】図１のレーザー装置の正面図
【図３】図１のレーザー装置の平面図
【図４】本発明の第２の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図５】図４のレーザー装置の正面図
【図６】本発明の第３の実施の形態によるレーザー装置の側面図
【図７】図６のレーザー装置の正面図
【図８】本発明の第４の実施の形態によるレーザー装置の平面図
【図９】本発明におけるレーザーダイオードの実装構造の例を示す正面図
【図１０】図９の構造の一部を示す斜視図
【図１１】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおける発光点移動量を、従来のレーザーダイオードにおける発光点移動量と比較して示すグラフ
【図１２】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおけるサブマウントの熱膨張係数と、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【図１３】上記実装構造が適用されたレーザーダイオードにおけるサブマウントの熱膨張係数と、発光点に作用する応力との関係を示すグラフ
【符号の説明】
９　　サブマウント
１０、１０’、１０”、４０　　レーザー装置
１１、１１’、１１”　　ヒートブロック
１１ａ　　ヒートブロックのレーザー固定面
１１ｂ　　ヒートブロックのレンズ規定面
１２　　マルチキャビティレーザーダイオードチップ
１２ａ　　発光点
１２Ｂ　　レーザービーム
１４、５０　　コリメーターレンズアレイ
１４ａ、５０ａ　　コリメーターレンズ
１４ｂ、５０ｂ　　コリメーターレンズアレイの取付端面
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバー
５０４、５０６、５０９　　Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉメタライズ層
５０５、５０８　　Ａｕ／Ｎｉメッキ層
５０７、５１１　　共晶点ＡｕＳｎ半田
Ｂ１〜７　　レーザービーム
ＬＤ、ＬＤ１〜７　　ＧａＮ系レーザーダイオード
Ｏ　　発光軸
【図１】
2004047650.tif 000003
【図２】
2004047650.tif 000004
【図３】
2004047650.tif 000005
【図４】
2004047650.tif 000006
【図５】
2004047650.tif 000007
【図６】
2004047650.tif 000008
【図７】
2004047650.tif 000009
【図８】
2004047650.tif 000010
【図９】
2004047650.tif 000011
【図１０】
2004047650.tif 000012
【図１１】
2004047650.tif 000013
【図１２】
2004047650.tif 000014
【図１３】
2004047650.tif 000015