(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたＬＤアレイと、このＬＤアレイと同一厚さに形成された絶縁体とを、電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記ＬＤアレイのレーザー光の出射端面と前記一対の電極とを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記ＬＤアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックからＬＤアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする平行光発生装置。
【請求項２】
ＬＤアレイから出射されるレーザー光の光軸に光軸を一致させて配設され、波長１０６４ｎｍ光を高透過し、波長８００〜８１０ｎｍ光を全反射するコートが施され、反射面が発振プレート内でＬＤアレイに近い位置に焦点を結ぶ曲率に形成されてなる凹面鏡を発振プレートの外面側に配設してなる請求項１記載の平行光発生装置。
【請求項３】
複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたＬＤアレイ及びこのＬＤアレイと同一厚さに形成された絶縁体と、少なくともＬＤアレイの平面面積より１０倍以上の面積を有し、面方向に高熱伝導性を有する中間電極板とを交互に配置して複数段に積層し、この積層体を電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記ＬＤアレイのレーザー光の出射端面及び前記中間電極板、前記一対の電極ブロックを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記ＬＤアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックから各中間電極板を介して各ＬＤアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする平行光発生装置。
【請求項４】
発振プレートは、０．５〜３％のＮｄドープされたＹＶＯ4 結晶を０．３〜１．５ｍｍ厚さに平行平面カットされたプレートに、ＬＤアレイとの接触面とその反対面に反射コートを施して形成されてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の平行光発生装置。
【請求項５】
発振プレートは、その厚さｔ（ｍｍ）、Ｎｄドープ量ｎ（％）及びレーザーダイオードとの接触面におけるパワー密度Ｐ（ｗ／ｍｍ2 ）の間にＰ・ｔ・ｎ＝１０4 の条件が満足されるように形成されてなる請求項１〜４いずれか一項に記載の平行光発生装置。
【請求項６】
発振プレートの表面との間に、発振プレートの発熱に伴う自然対流が発生する間隔を設けて配設された透明ウィンドウにより密閉された冷却装置内に配設され、この冷却装置内に封入された純水によって冷却され、純水の熱が熱交換器によって排熱されるように構成されてなる請求項１または３記載の平行光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＤアレイから出射されるレーザー光を用いて高出力の平行光を得る平行光発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来技術による平行光発生装置の構成を示すもので、ＬＤアレイ３１はその両面から一対の電極板３２ａ、３２ｂの間に挟み込まれて冷却装置３９内に配設されている。ＬＤアレイ３１から出射されたレーザー光は、ｆａｓｔ  ＡＸＩＳコリメータレンズ３４、ｓｌｏｗ  ＡＸＩＳコリメータレンズ３５、集光レンズ３６によって集光され、このレーザー光をレーザー媒体３７と出力ミラー３８との間でレーザー発振させて平行光を発生させている。前記冷却装置３９には純水が循環し、ＬＤアレイ３１の熱は電極板３２ａ、３２ｂを介して排熱される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成では、レーザー発振させるためにレーザー媒体と出力ミラーとのアライメントを行い、集光光学系とレーザー媒体とのモードマッチングを行う必要があり、製作作業の手間が大きくなる課題があった。また、発振系の配設距離は短くすることができないため、レーザービームの拡がりによるロスが発生し、変換効率は３０〜４０％が限界であった。更に、ＬＤアレイの熱が伝導する電極板を冷却するために純水を循環させるが、純水の純度が低下すると電極に電気分解が生じて導電性が低下したり、外部のアースノイズの侵入によりＬＤアレイが破壊される等の問題点があった。
【０００４】
本発明が目的とするところは、簡単な構造により高出力の平行光を得ることができるように構成した平行光発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願の第１発明に係る平行光発生装置は、複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたＬＤアレイと、このＬＤアレイと同一厚さに形成された絶縁体とを、電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記ＬＤアレイのレーザー光の出射端面と前記一対の電極ブロックとを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記ＬＤアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックからＬＤアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする。
【０００６】
上記第１発明の構成によれば、ＬＤアレイからのレーザー光は発振プレートにより平行光に変換されて出射される。簡単な構成で平行光が得られ、調整の必要もないので、その製作は容易である。また、ＬＤアレイ及び発振プレートの熱は密着した電極ブロックから放熱されるので、高出力の平行光を容易に発生させることができる。
【０００７】
上記構成において、ＬＤアレイから出射されるレーザー光の光軸上に光軸を一致させて配設され、波長１０６４ｎｍ光を高透過し、波長８００〜８１０ｎｍ光を全反射するコートが施され、反射面が発振プレート内でＬＤアレイに近い位置に焦点を結ぶ曲率に形成されてなる凹面鏡を発振プレートの外面側に配設して構成することにより、発振が容易となると同時に、吸収されなかった光が再利用されるので効率のよい変換がなされる。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本願の第２発明に係る平行光発生装置は、複数のレーザーダイオードを一直線上に配列して構成されたＬＤアレイ及びこのＬＤアレイと同一厚さに形成された絶縁体と、少なくともＬＤアレイの平面面積より１０倍以上の面積を有し、面方向に高熱伝導性を有する中間電極板とを交互に配置して複数段に積層し、この積層体を電気導電性及び熱伝導性に優れた一対の電極ブロックの間に挟み込むと共に、前記ＬＤアレイのレーザー光の出射端面及び前記中間電極板、前記一対の電極ブロックを面一に形成した面に、平板状のレーザー媒体からなり両平面が前記ＬＤアレイから出射される光に対する反射面となっている発振プレートを密着配置し、前記一対の電極ブロックから各中間電極板を介して各ＬＤアレイに電力供給するように構成されてなることを特徴とする。
【０００９】
上記第２発明の構成によれば、複数のＬＤアレイからのレーザー光を発振プレートにより平行光に変換して出射することができるので、高出力の平行光を発生させることができる。また、各ＬＤアレイの熱は中間電極板から電極ブロックに伝導して放熱されるので、高出力の平行光の発生は容易である。
【００１０】
発振プレートは、０．５〜３％のＮｄドープされたＹＶＯ4 結晶を０．３〜１．５ｍｍ厚さに平行平面カットされたプレートに、ＬＤアレイとの接触面とその反対面に反射コートを施して形成すると好適である。
【００１１】
また、発振プレートは、その厚さｔ（ｍｍ）、Ｎｄドープ量ｎ（％）及びレーザーダイオードとの接触面におけるパワー密度Ｐ（ｗ／ｍｍ2 ）の間にＰ・ｔ・ｎ＝１０4 の条件が満足されるように形成すると好適である。
【００１２】
また、上記第１及び第２発明に係る平行光発生装置は、発振プレートの表面との間に、発振プレートの発熱に伴う自然対流が発生する間隔を設けて配設された透明ウィンドウにより密閉される冷却装置内に配設し、この熱交換器内に封入された純水によって冷却し、この純水は熱交換器によって熱交換されるように構成することにより、冷却効果が向上して、より高出力の平行光を発生することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【００１５】
図１において、ＬＤアレイ１は、複数のＬＤ（レーザーダイオード）２をライン上に配設して構成され、同一厚さに形成された絶縁体９とともに一対の電極ブロック１０ａ、１０ｂの間に挟み込まれ、この電極ブロック１０ａ、１０ｂ間に電源１１から電力供給することにより、ＬＤアレイ１の各ＬＤ２が発光する。このＬＤアレイ１の出射端面は電極ブロック１０ａ、１０ｂと面一に形成されており、このＬＤアレイ１の出射端面に密着させて発振プレート１２が配設されている。この構造により、ＬＤアレイ１の各ＬＤ２から発生する熱と、発振プレート１２で生じる損失による熱は効率よく電極ブロック１０ａ、１０ｂに逃がすことができる。電極ブロック１０ａ、１０ｂは、ブロック状の熱容量が大きな形状に形成され、これを支持する図示しない支持体に排熱するので、熱の放出は確実になされる。
【００１６】
ＬＤ２から出射されるレーザー光は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ＬＤアレイ１の面方向に±５度（ｓｌｏｗ  ＡＸＩＳ光）、厚さ方向に±２０度（ｆａｓｔ  ＡＸＩＳ光）の出射角度を有しており、これを発振プレート１２により平行光に変換して出射させる。この発振プレート１２の構成条件について以下に説明する。
【００１７】
発振プレート１２は、０．５〜３％にＮｄドープされたＹＶＯ4 結晶を０．３〜１．５ｍｍの厚さに平行平面カットされたプレートに、ＬＤ２との接触面に全反射コートを施し、反対面に１０６４ｎｍの波長に対して９０〜９８％の反射コートを施して構成されている。この発振プレート１２の構成条件は、下記各パラメータが次のように構成されることにより発振可能となる。
【００１８】
ＬＤ２の発光密度＝Ｐ（ｗ／ｍｍ2 ）、但し、Ｐ≧１０4 ｗ／ｍｍ2 
発振プレート１２の厚さ＝ｔ（ｍｍ）、但し、０．３≦ｔ≦１．５ｍｍ
Ｎｄドープ量＝ｎ（％）、但し、０．５≦ｎ≦３
とすると、発振プレート１２の構成条件は、出力側コートを１０６４ｎｍにおいて９０〜９８％として、下式（１）となる。
【００１９】
Ｐ・ｔ・ｎ≧１０4 ……（１）
例えば、Ｐ＝１０4 （ｗ／ｍｍ2 ）、ｔ＝０．５（ｍｍ）、ｎ＝３（％）とすると、Ｐ・ｔ・ｎ＝１０4 ・０．５・３＝１．５×１０4 ≧１０4 となり、発振可能となる。
【００２０】
この構成条件は最低条件であって、各パラメータの比を適切に選択することによって理論限界値といわれている６０％以上の変換効率を得ることが可能である。尚、Ｎｄドープ量が３％のように高い場合には、発振プレート１２の厚さを０．３〜０．５ｍｍに形成することができるが、熱歪みの発生により発振プレート１２内で回折が生じて発振が不安定となりやすいので、Ｎｄドープ量は１〜２％、厚さは０．５〜１ｍｍ程度に設定するのが好適である。
【００２１】
図３は、ＬＤ２からの出射光を全反射する凹面鏡２２を配設した構成を示すもので、図示するようにＬＤ２からの出射光のセンター軸上に凹面鏡２２の光軸を一致させて配置している。この凹面鏡２２は、ＬＤ２からの出射光を全反射し、１０６４ｎｍの光を透過するようなコートを施したもので、その反射面の曲率は、発振プレート１２内でＬＤ２にできるだけ近いセンター軸上に集光するように形成される。この凹面鏡２２を用いた構成により、低い閾値で発振を起こすと同時に吸収されなかったＬＤ２からの光が再利用されるので効率よく平行光に変換することができる。
【００２２】
尚、前記凹面鏡２２に代えて、ＬＤ２からの光を全反射するコートを施した凹型シリンドリカルレンズや、回折格子を用いても同様の効果を得ることができる。
【００２３】
図４は、第２の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【００２４】
図示するように、第２の実施形態に係る平行光発生装置は、複数のＬＤアレイ１をスタックして構成されている。ＬＤアレイ１は同一の厚さで１０倍以上の面積を有する絶縁体９と共に、中間電極板１３を介して複数段に積層され、一対の電極ブロック１０ａ、１０ｂによって挟み込まれている。前記絶縁体９は、ＡｌＮのような熱伝導性のよい材料により形成され、前記中間電極板１３は、金薄板や銅の金メッキ板、グラファイトシートのような電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料により形成されている。前記グラファイトシートは、その面方向と厚さ方向とでは熱伝導性に１０：１以上の差があるため、前記のように絶縁体９の面積がＬＤアレイ１の面積より１０倍以上大きく設定している。また、中間電極板１３及び電極ブロック１０ａ、１０ｂのＬＤアレイ１の出射端面側は、この出射端面と面一に形成され、ＬＤアレイ１、中間電極板１３、電極ブロック１０ａ、１０ｂに密着して発振プレート１２が配設されているので、発振プレート１２で発生する熱も電極１０ａ、１０ｂに伝導し、電極ブロック１０ａ、１０ｂに接する外部放熱体１４に排熱される。
【００２５】
上記構成において、一対の電極ブロック１０ａ、１０ｂ間に接続された電源１１から供給される電力は、各中間電極板１３を介して各ＬＤアレイ１に供給され、各ＬＤアレイ１の出射端面から出射されるレーザー光は発振プレート１２により平行光に変換されて出射される。
【００２６】
図５は、第３の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示すもので、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【００２７】
図５において、ＬＤアレイ１は同一の厚さを有する絶縁体９と共に一対の電極ブロック１５ａ、１５ｂの間に挟み込まれ、レーザー光の出射端面側に発振プレート１２を配置した状態にして冷却装置１９内に配設されている。冷却装置１９は、その正面側を出射ウィンドウ１８により閉じて密閉構造に形成され、内部に満たされた純水を冷却する熱交換器２３が配置されて構成されている。前記電極ブロック１５ａ、１５ｂには、それぞれ電極棒１６ａ、１６ｂを通じて電源１１が接続される。
【００２８】
上記構成において、発振プレート１２の表面と出射ウィンドウ１８との間は、層流が保持される間隔のチャネル幅が形成されているため、純水が発振プレート１２から熱を奪って上昇するとき、シュラーレン現象を発生させることなく自然対流が生じて効率よく発振プレート１２は冷却される。また、ＬＤアレイ１の熱は電極ブロック１０ａ、１０ｂに伝導し、電極ブロック１０ａ、１０ｂが純水で冷却されるため、ＬＤアレイ１も効率よく冷却される。純水は熱交換器２３によって冷却されるので、装置の放熱効果は高く、より高出力の平行光を発生させることができる。
【００２９】
尚、この第３の実施形態は、第１の実施形態で示した平行光発生装置を冷却装置１９内に配置して構成した例を示しているが、第２の実施形態に示したＬＤアレイ１をスタックした構成を適用することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、発振プレートによりＬＤアレイから出射されるレーザー光を平行光に変換されるので、簡単な構造で高出力の平行光を発生させることができる。また、熱伝導性に優れた構造なので、効率よく高出力の平行光を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図２】発振プレートによる平行光への変換を説明する（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図３】第１の実施形態の変形例を示す側面図。
【図４】第２の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図５】第３の実施形態に係る平行光発生装置の構成を示す（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図６】従来技術に係る平行光発生装置の構成を示す側面図。
【符号の説明】
１  ＬＤアレイ
２  ＬＤ（レーザーダイオード）
９  絶縁体
１０ａ、１０ｂ、１５ａ、１５ｂ  電極ブロック
１２  発振プレート
１３  中間電極板
１８  出射ウィンドウ
１９  冷却装置
２２  凹面鏡
【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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