JP6739067B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、複数個の半導体レーザを1点に精密に集光して高輝度及び高出力化できる半導体レーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device capable of accurately focusing a plurality of semiconductor lasers at one point to achieve high brightness and high output.
従来の半導体レーザ装置としては、高出力化できるものがある(例えば、特許文献1参照。)。図9は、特許文献1に記載された、従来の多数の半導体レーザを光ファイバに1点に集光する構成図であり、図9はその断面図である
図9において、複数の半導体レーザ703からそれぞれ放出されるレーザ光702は、ボールレンズ704を介してファイバ701の端面にそれぞれ集光することで高出力化している。
2. Description of the Related Art As a conventional semiconductor laser device, there is one that can achieve high output (for example, see Patent Document 1). FIG. 9 is a configuration diagram in which a large number of conventional semiconductor lasers described in
しかしながら、特許文献1の図9の従来の構成では、光ファイバ701の端面に集光する調整機構がないため、光ファイバ701の端面の1点に集光する場合に精密に集光調整できず、実装面710に対する半導体レーザ703の実装精度及びボールレンズ704の実装精度を高くすることが困難であった。
本発明は、前記従来の課題を全て解決するもので、光ファイバの端面に対して1点に精密に集光して高輝度及び高出力化できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
However, in the conventional configuration of FIG. 9 of
An object of the present invention is to solve all the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device capable of precisely converging at one point on the end face of an optical fiber to achieve high brightness and high output.
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、
複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザからの半導体レーザ光がそれぞれ入射する光学系と、
前記複数の半導体レーザをそれぞれ先端に保持し、かつ、外側部でかつ長手方向の中間部の前記長手方向周りに少なくとも部分的に前記長手方向と直交する方向に突出して配置された突起部をそれぞれ有する複数の棒状部材と、
それぞれの前記突起部を介して前記棒状部材を保持するホルダと、
前記外側部における前記突起部以外の部分をホルダ側から押圧して前記棒状部材の前記先端の位置を前記光学系の光軸に対して調整する調整機構と、を備える。
In order to achieve the above object, the semiconductor laser device of the present invention,
A plurality of semiconductor lasers,
An optical system in which semiconductor laser light from each of the plurality of semiconductor lasers is incident,
The plurality of semiconductor lasers are respectively held at their tips, and projecting portions which are arranged outside and project at least partially around the longitudinal direction of the longitudinal intermediate portion in a direction orthogonal to the longitudinal direction are arranged. A plurality of bar-shaped members having,
A holder for holding the rod-shaped member via each of the protrusions,
An adjusting mechanism that adjusts the position of the tip of the rod-shaped member with respect to the optical axis of the optical system by pressing a portion of the outer portion other than the protrusion from the holder side.
以上のように、本発明の半導体レーザ装置によれば、前記棒状部材の前記外側部における前記突起部以外の部分をホルダ側から押圧して、てこの原理を利用して、前記棒状部材の前記先端の位置を前記光学系の光軸に対して調整する調整機構で光軸調整を行うことができる。この結果、例えば光ファイバの端面の所望の位置に焦点が位置するように速やかに光軸調整することができ、長期的にもクリープもなく、振動及び衝撃による光軸ずれが起きにくく安定した半導体レーザ装置を実現でき、複数個の半導体レーザからのレーザ光を1点に精密に集光して高輝度及び高出力化できる半導体レーザ装置を実現することができる。 As described above, according to the semiconductor laser device of the present invention, a portion of the rod-shaped member other than the protrusion is pressed from the holder side in the outer side portion, and the lever principle is utilized to make the rod-shaped member The optical axis can be adjusted by an adjusting mechanism that adjusts the position of the tip with respect to the optical axis of the optical system. As a result, for example, the optical axis can be swiftly adjusted so that the focal point is located at a desired position on the end face of the optical fiber, there is no creep in the long term, and the optical axis shift due to vibration and shock does not easily occur. It is possible to realize a laser device, and it is possible to realize a semiconductor laser device capable of precisely focusing laser light from a plurality of semiconductor lasers at one point to achieve high brightness and high output.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施形態)
図1A〜図1Fは、本発明の実施形態における半導体レーザ装置の図である。
尚、図1Aは半導体レーザ装置の平面図、図1Bは半導体レーザ装置の側面図、図1Cは半導体レーザ装置の縦断面図、図1D図1CのA−A断面図、図1Eは図1CのB―B断面図、図1Fは図1CのC―C断面図である。図1A〜図1Fにおいて、同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(装置構成)
半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ1と、光学系30と、複数の棒状部材9と、第1ホルダ12と、調整機構41とを備える。
各棒状部材9は、一例として高熱伝導体で構成され、複数の半導体レーザ1をそれぞれ先端に固定保持し、かつ、外側部の中間部に突起部13をそれぞれ有する。
光学系30は、複数の半導体レーザ1からの半導体レーザ光2が入射する。
第1ホルダ12は、棒状部材9のそれぞれの突起部13を介して各棒状部材9を保持する。例えば、第1ホルダ12は、円柱状であって、棒状部材9の個数に対応した円形貫通穴12aを有して、各円形貫通穴12a内に棒状部材9を収納保持する。
調整機構41は、外側部における突起部13以外の部分を第1ホルダ側から棒状部材9の長手軸方向と直交する方向に中心に向けて押圧して、てこの原理を利用して、それぞれの棒状部材9の先端の位置を調整するものであり、例えば、第1ホルダ12の第1〜第3螺子穴12b,12c,12dにそれぞれねじ込まれて配置された螺子16,17,18などで構成する。螺子16,17,18は、押圧部材の一例として機能する。特に、螺子16,17は、第2押圧部材の一例として機能し、螺子18は、第1押圧部材の一例として機能する。
以下、各構成要素について詳細に説明する。
複数の半導体レーザ1として、例えば少なくとも4個の半導体レーザ(以下、「LD」と省略する。)1の先端面側から出射されたレーザ光2は、コリメートレンズ3でそれぞれコリメートされたのち、集光レンズ4により1点の焦点6に集光して光ファイバ5の端面5aより入射される。ここでは、4個のLD1を例示するが、LD1は複数個、すなわち、少なくとも2つ以上備えればよい。
また、コリメートレンズ3でそれぞれコリメートされ、集光レンズ4により1点の焦点6に集光して、光ファイバ5の端面5aに入る。このとき、コリメートレンズ3と集光レンズ4と光ファイバ5とを合わせて、一例として、光学系30と呼ぶ。
各棒状部材9は、中空円筒状の高熱伝導体の棒状部材9である。各棒状部材9は、各LD1の背面を長手方向の先端に半田などの接合材で接合されて固定保持されている。前記LD1の背面に接合されたリード線10が、棒状部材9の中空空間11内を貫通して配置され、後端が棒状部材9から露出している。
各棒状部材9のそれぞれの外側部の全周において棒状部材9の長手方向の例えば中央部が径方向に膨らむことで、円環状の突起部13が形成されている。突起部13は、外側部の全周に限定されず、間欠的に配置されていてもよい。突起部13の表面は平面でもよいし、湾曲面でもよい。突起部13の高さの例としては、0.3mm程度である。
各棒状部材9は、例えば円柱状の第1ホルダ12の各円形貫通穴12a内に嵌合されて、支点13である突起部13を、円形貫通穴12aの内周面に対する接触部として保持される。よって、支点13を境に、長手方向の両側に各棒状部材9と第1ホルダ12の円形貫通穴12aの内周面との間に、円筒状の空間である隙間14,15を形成している。隙間14,15の高さの例としては、0.3mm程度である。
また、各棒状部材9は、突起部13、すなわち、支点13を接触部として、円形貫通穴12a内で軸方向に進退移動を可能とし、かつ、当該支点13を中心に隙間14,15内で図1C〜図1Eにおける上下及び図1D〜図1Eにおける左右に首振りを行って、当該隙間14,15により、各棒状部材9の先端に設けられたLD1の光軸を調整可能とする。すなわち、各LD1の光軸調整の支点13が、各棒状部材9の突起部13になる。なお、一例として、棒状部材9は銅のような高熱伝導体で構成し、第1ホルダ12はアルミニウム又は銅のような高熱伝導体で構成している。また、コリメートレンズ3は、接着材を使用せずに、レンズ押さえねじ30で第1ホルダ12に固定するのが好適である。
ここで、LD1の光軸調整の支点の突起部13をLD1の近傍でなく、棒状部材9の長手方向の中央部にしている理由を説明する。LD1から出射されるレーザ光2の角度及び位置は、製造上の誤差などにより大きくばらついている。よって、LD1を支点にすると、レーザ光2の位置が調整できず、レーザ光2の角度だけしか調整できない。さらに、レーザ光2の角度が調整できても、コリメートレンズ3の焦点位置にLD1があるので、コリメート光が何らずれることがなく、光軸調整することはできないという課題がある。
この理由を、図2で説明する。LD1から出射されたレーザ光902は、焦点がLD1になる位置に配置されたコリメートレンズ3でコリメート光903になり、その後、集光レンズ4により集光されたレーザ光904となる。このレーザ光904は、ある焦点905に結像する。この焦点905は、第1ホルダ12からの4つのLD1のレーザ光902の出口の光軸中心906に対して、ずれ量ΔDを有している。ところが、焦点6に焦点905が来るように光軸調整したくても、コリメートレンズ3は、LD1の発光点901がレンズ3の焦点になるように配置されているため、発光点901を回転中心として光軸調整しようとコリメートレンズ3を傾けても、レーザ光907は、レンズ3,4を介して再度同じ焦点905にて結像するので、ずれ量ΔDを0に光軸調整することはできない。
よって、LD1の光軸調整の支点13としての突起部13をLD1近傍に配置した場合には、棒状部材9の外側部における突起部以外の部分を大きく動かす必要がある。当該部分の動かす距離を小さくして調整しやすくするためには、支点13を中空円筒状の棒状部材9の長手方向の少なくとも中央部より後ろ(進行方向とは逆側)に、より好ましくは、中央部に設ける必要がある。
なお、図1D〜図1Eにおける左右首振りは、LD1の棒状部材9との接続部の近傍、すなわち、支点13よりも先端側において、棒状部材9の中心に対して左右方向と上下方向、すなわち、X方向及びY方向沿いにそれぞれ進退する調整螺子16,17が、第1ホルダ12の第1及び第2螺子穴12b,12cに配置されている。具体的には、第1螺子穴12b内に、各棒状部材9に対してX方向沿いに1個の調整螺子16が正逆回転により進退可能に配置され、第2螺子穴12c内に、X方向と90度交差するY方向沿いに1個の調整螺子17が正逆回転により進退可能に配置されている。
各棒状部材9に対して螺子16,17の2つの螺子だけでは,X方向及びY方向にそれぞれ調整しようとしても、螺子16,17に対応する図1Eに記載の反力110が無い場合には、棒状部材9がX方向及びY方向に単に自由に移動するだけで、棒状部材9を固定することができない。また、X方向及びY方向のみならず、X方向及びY方向とそれぞれ交差する焦点方向のZ方向にもずれることがあり、光軸調整することができない。
よって、LD1の接続部に対し、支点13より後端側にはX方向及びY方向と同じ側でかつX方向とY方向との間の45度のU方向(図1D参照)沿いに、第3螺子穴12d内に調整螺子18を第1ホルダ12の第3螺子穴12d内に配置して、第3螺子穴12d内で正逆回転により進退可能とする。調整螺子18を回転して第3螺子穴12d内から棒状部材9の後端側の部分9cに向けてU方向とは反対方向に接近させて接触させ、螺子18を棒状部材9の後端側の部分9cに押し付けることにより、てこの原理で、支点13を支点として調整螺子16,17の近傍にて、押し付ける方向とは反対方向の反力110が発生する。この結果、U方向の反力110に対して、X方向及びY方向沿いに螺子16,17で棒状部材9を押圧することにより、反力110と螺子16,17からの2つの押圧力とで棒状部材9を固定しながら、螺子16,17でX方向及びY方向の微調整することができる。
なお、反力110を常時発生させるために、各螺子18は、プランジャピン18が好適である。ここで、プランジャピン18とは、図1Gに示すように、外周におねじ18dを有する円筒状のプランジャ本体18aにバネ18bを内蔵し、バネ18bの先端でピン18cを押圧してプランジャ本体18aの先端から突出させるように構成している。よって、おねじ18dを第3螺子穴12dにねじ込んでピン18cの先端を棒状部材9に接触させてばね力でピン18cにより棒状部材9に押圧力を付与し続けることができる。
なお、フォーカス方向Zの調整は、各棒状部材9を貫通穴12aに対して軸方向(Z方向)に抜き差しした後、調整螺子18を固定したのち、残りの2個の調整螺子16,17を棒状部材9に対して固定することで実現している。
次に、図3を用いて、棒状部材9の好適形状を述べる。LD1を接合している棒状部材9の先端9aから支点13の長手方向の中心までの距離をL1とし、棒状部材9の後端9bから支点13の長手方向の中心までの距離をL2とすると、焦点6は数ミクロンオーダの光軸調整が必要なため、L1:L2=1:0.5〜5が好適である。この比率未満では光軸調整が十分に行えない一方、この比率を越えると、螺子16,17,18に過負荷がかかり、螺子16,17,18又は第1〜第3螺子穴12b〜12dなどが破損する恐れがあるためである。
また、調整螺子16,17,18のそれぞれの内側の棒状部材9と接触する端面は、研磨をして、数ミクロン以下の平面度でかつ所定の表面粗さにしておくのが好適である。また、光軸調整代となる隙間14,15の隙間量は、径方向の寸法が0.5〜1mm、例えば0.3mmと大きくしておくのが好適である。さらに、突起部(支点13)と第1ホルダ12との嵌め合い精度は、H7公差が最適であり、1〜5mm幅ほどが好適である。なお、これらの数値は、試作検討にて実験的に得られたものである。
第1ホルダ12の集光レンズ4側の外周には、薄い円筒状の第2ホルダ19とのはめあい部26以外は、第2ホルダ19が、X方向及びY方向の光軸調整用隙間21を設けて配置されている。はめあい部26は、第2ホルダ19の嵌め込み先端部と、第1ホルダ12の集光レンズ4側の外周の最奥部とが嵌合する部分である。第2ホルダ19は銅のような高熱伝導体で構成している。X方向及びY方向の調整螺子22,23は、第1ホルダ12の先端近傍に相当する第2ホルダ19の先端側の部分に、光軸周りにX方向沿い及びY方向沿いにそれぞれ配置されている。
このような構成により、X方向及びY方向の調整螺子22,23を正逆回転させて進退させて光軸調整することにより、光ファイバ端面5aに集光されたレーザ光2を光ファイバ5に入射できるように構成されている。光ファイバ5を内蔵する光コネクタ7は、第2ホルダ19の先端の蓋部19aの貫通穴19bに挿入され、複数本の固定螺子24にて、光ファイバ5のフォーカス調整時に固定される。
なお、集光レンズ4は、カラー31と螺子リング32とで第1ホルダ12に固定されていて、集光レンズ4の焦点距離は、光ファイバ5の入射NAけられが発生しない値が好適である。
(光軸調整方法)
次に、上記のように構成された断面図の図1CとC−C断面図の図1Fとを用いて半導体レーザ装置組立時の光軸調整方法を順に説明する。
(ア) 第1ホルダ12の各貫通穴12a内で各棒状部材9を軸方向に前後させて、1つ目のLD1から出射されたレーザ光2がレンズ3を通過した後、コリメート光25になる位置に1つ目のLD1を固定した棒状部材9を配置して、フォーカス調整を終えておく。
なお、1つ目のLD1の光軸周りの回転調整もあるので、ファスト方向及びスロー方向がわかりやすいように、棒状部材9のLD取り付けの逆端面に、1つ目のLD1の取り付け位置に対応する切り欠きなどのマークを予め形成するのが好適である。なお、LD1の各活性層の厚さ方向すなわちLDアレイの積層方向をファスト方向と称し、LDアレイの活性層の列方向をスロー方向と称する。
(イ) 次に、1つ目のLD1から出射されたレーザ光2のファスト方向102が、図1Fに示すように、1つの円113に内接するように、LD1に接合されている棒状部材9を、レーザ照射させながら軸周りにそれぞれ回転させて、3個の螺子16,17,18にて固定する。なお、図1Fでは、便宜上、4つのLD1のレーザ光2の像を合わせて表示している。ここで、ファスト方向102が、図1Fに示すように、1つの円113に内接するとは、1つの円113すなわち出射可能なレーザ光の範囲を区切る1つの円113に内接する多角形の辺上に、ファスト方向102が位置するようにレーザ光101を配置することを意味している。また、3個の螺子16,17,18にて固定するとき、螺子16,17,18をそれぞれ回転して内側にねじ込むようにすると、螺子16,17,18の回転により棒状部材9の先端9aが前後方向に移動して焦点位置がずれ、コリメートで無くなることがある。これを防止するため、棒状部材9は、外部治具(図示せず)を用いて前後方向(光軸方向)に動かないように固定してから、螺子16,17,18の正逆回転による棒状部材9の先端9aの首振による光軸調整するのが好適である。
(ウ) 次に、集光レンズ4を第1ホルダ12に挿入し、集光レーザ光20が光ファイバ5の入射点である焦点(基準焦点)6の焦点位置に位置するように、調整螺子16,17,18を締緩させて、この焦点6を基準とする。
なお、焦点6は、第1ホルダ12の集光レンズ4の光軸中心上が、好適である。
(エ) 次に、2つ目のLD1も(ア)〜(ウ)と同様に調整し、前記焦点6に一致するようにして調整螺子16,17,18を調整後、固定する。
(オ) 残る2つのLD1も、(ア)〜(ウ)と同様に、同じ焦点6にて集光するように、調整螺子16,17,18を調整後、固定する。
(カ) 次に、集光レンズ4をカラー31と螺子リング32とで第1ホルダ12に固定したのち、第2ホルダ19を第1ホルダ12にかぶせ、嵌め合い部26を支点にX方向及びY方向に調整螺子23を正逆回転させて締緩、すなわち、各棒状部材9がZ方向の前後に動かないように、3本の螺子23を締めたり緩めたりしながら、ファイバ5の端面5aにレーザ光が最高パワーになるように、ファイバ5の出口にパワーメータを配置して、測定しながら、螺子23の締緩調整する。
(キ) 第2ホルダ19に螺子24で固定された光コネクタ7をZ方向の前後に動かしながら、光ファイバ5に入射したレーザ光が最高パワーになるように、パワーメータ(図示せず)で測定しながら、各螺子24を締緩調整する。
上記(ア)〜(キ)の調整において、図3に示すように、CCD200を焦点位置6に配置することで、モニタ画面201にて拡大して可視観察できるので、大変、光軸調整しやすくなる。また、定規(図示せず)をモニタ画面201で予め写し、スケール(図示せず)をモニタ画面201に明記しておくのも好適である。
(光軸調整方法の詳細)
次に、図4の(a)〜(f)にてモニタ画面201を用いて、螺子16,17,18による光軸調整方法の詳細を説明する。
図4の(a)は、LD1を1つだけ発光させた時のモニタ画面201に写る像であって、焦点が合っていないため、点線で示すように、ぼけた像301になっている。ぼけた像301は、1つ目のLD1のファスト方向102の広がりが、スロー方向103より遥かに大きいので、ファスト方向102の方が長くなっている。ここで、モニタ201画面にある十字線302の交差点303は、集光すべき基準位置(焦点)6である。この交差点303が、第1ホルダ12のレーザ出口204(図3参照)における光軸中心906(図3参照)上にある基準焦点位置202と一致する位置となるように、モニタ画面201のCCD200が配置されている。
図1Dに示す4個の螺子18のうち、右上の棒状部材9に加圧する右上の螺子18はプランジャピンで構成されて、右斜め下方向の押圧力を棒状部材9に付与しているため、支点13を介して、図1EのB−B断面にて右斜め上方向の反力110を生み出している。
第1螺子穴12b内でX方向沿いの右上側の調整螺子16を左右に進退するように正逆回転させると、図4の(a)のモニタ画面201に写っている像303は、左右のX方向に進退移動する。
一方、図1Dの右上の螺子18で加圧しながら4個のY方向の調整螺子17の内の図1Eの右上の螺子17を正逆回転させて第2螺子穴12c内で上下方向沿いに進退するように正逆回転させると、図4の(a)のモニタ画面201に写っている像303は、上下のY方向に進退移動する。
なお、前記したように、このX方向及びY方向の光軸調整の前に、焦点方向Zを予め光軸調整する必要がある。
図4の(b)は、図4の(a)の状態から、棒状部材9を光軸方向の前後方向に動かして少し集光させた時の画像304を含むモニタ画面201である。ファスト方向102は大幅に短くなっているが、スロー方向103はあまり短くなっていない。このように、方向102は、焦点調整でサイズが早く変わることから、ファスト方向と名づけられている。
図4の(c)は、更に、棒状部材9を光軸方向の前後に精度良く動かして焦点6に集光させた時の画像305を含むモニタ画面201である。図4の(a)及び図4の(b)のようなデフォーカス時には、ファスト方向102が長手方向であったが、焦点6ではスロー方向103が長手方向になることに注意して、光軸調整を行う。
図4の(d)は、焦点6に集光させ、更にモニタ画面201上にある十字線302の交差点303を焦点6に、調整螺子16,17を正逆回転させながら合わせ込んだ1つ目の画像306を含むモニタ画面201である。
図4の(e)は、1つ目の画像306と、1つ目のLD1と90度回転した位置にある2つ目のLD1を発光させた時の2つ目の画像307を含むモニタ画面201である、2つ目の画像307は、1つ目の画像306とは90度回転した方向で観測される。
図4の(f)は、2つ目のLD1のレーザ光も焦点6に集光させ、図4の(a)〜(d)と同様な方法で、更にモニタ画面201上にある十字線302の交差点303を焦点6に、調整螺子16,17を正逆回転させながら合わせ込んで光軸調整された2つ目の画像308と、1つ目の画像306とを含むモニタ画面201である。
最後に、LD1を接合した棒状部材9と第1ホルダ12との間の光軸調整用隙間である隙間14には、熱電導性を高め、更にクリープによる調整ずれをなくすために、硬化型熱電導性接着材の例として硬化型熱電導性ペーストを光軸調整直前(例えば光軸方向の前後方向の位置決め調整したのち)に塗布し、光軸調整完了後に硬化させるのが、好適である。なお、前記硬化型熱電導性ペーストとしては、窒化アルミニウムが好適であり、硬化剤としてはエポキシ硬化剤との配合が好適である。
(作用)
上記構成で上記調整を行うことで、光ファイバ5に速やかに光軸調整でき、長期的にもクリープもなく、振動及び衝撃による光軸ずれを起きにくい、安定した半導体レーザ装置を実現している。
(効果)
図1Fに示すように、リング状にLD1のレーザ光101のファスト方向102を、出射可能なレーザ光の範囲である1つの円113に内接するように配置することにより、次の2つの効果がある。
まず、第1の効果を図5にて説明する。従来はLD1を回転させずに、図5に示すように、例えば、1つの円403に対して横長の同じ方向にレーザ光400を配列している。
一方、光ファイバには、入射可能な入射角及びNA(開口数(numerical aperture))が物性的に決まっている。図5における1つの円403は、光ファイバに入射可能な範囲を示す。すると、円403の範囲の外側に位置するレーザ光400の一部は光ファイバ5に入射することができない。これを、NAけられ404(図5では、ハッチング部分)と呼ぶ。このNAけられ404により、光ファイバ5に入射できるレーザ光量が減り、結合効率の低下及び光コネクタ7の発熱を招き、大出力が発熱の問題で不可能となる。
これに対して、本実施の形態では、リング状にLD1のレーザ光101のファスト方向102を、出射可能なレーザ光の範囲である1つの円113に内接するように配置することにより、NAけられが無く、高効率に光ファイバ5に入射することができる。
次に、図6と図7とを用いて、第2の効果を説明する。図6において、光ファイバ5の出口からレンズ501を介してミラー502にて正反射させると、光ファイバ5に殆どそのままレーザ光が戻り、ファイバ端面5aから、ファイバのNA角503で、戻り光504が放出される。
図7の(a)は、リング状にLD1を配置した時の戻り光504の半値の範囲601を斜線の円で示した図である。戻り光504は、図7の(b)に示すように、中心部の強度が強くなる物性があるが、戻り光は4個のLD1のレーザ光101の発光部に殆ど戻らない。これに対して、従来の図5の配置では、図7の(c)に示すように、戻り光504の半値の範囲601と4個のLD1のレーザ光101の発光部とが一部重なり、動作が不安定になり、戻り光により破損する可能性があった。このような不具合は、本実施形態では解消することができる。
図8に示すように、LDには、戻り光が通常10%程度より高くなるにつれて動作が不安定になり、50%程度の戻り光により破損が始まることが知られている、しかし、その間の10〜50%の戻り光レベルの挙動はよく、まだ知られていないことが多い。発明者は数100件に及ぶ量産導入後の寿命調査を行い、図2に示すように、戻り光レベルが高いほど寿命が短くなることを見出した。また、寿命が短くなるのは、戻り光による疲労現象であることをつきとめた。
本実施形態は、半導体レーザ1のそれぞれのファスト方向102が、出射可能なレーザ光の範囲の1つの円113に内接する多角形の辺上に位置するように配置することにより、戻り光を10%程度まで抑えるものであり、寿命劣化も防止する効果もある。
また、本実施形態において、コリメートレンズ3としては、通常の平凸でコリメートもしてもよいが、シリンドリカルレンズでファスト方向のみコリメートしてもよい。その場合は、価格が高くなるが、集光性が向上するので、細いファイバに入射することができる。
また、X方向及びY方向の調整螺子16,17,18の各端面は、銅からなる棒状部材9に接触するので、平面研磨されたものが好適である。またさらに、調整螺子16,17,18が振動等で緩まないように、調整螺子16,17,18をそれぞれ先の尖った螺子で追加固定するのが、より好適である。
上記実施形態によれば、棒状部材9の外側部における突起部13以外の部分をホルダ側から押圧して、てこの原理を利用して、棒状部材9の先端9aの位置を光学系30の光軸に対して調整する調整機構41で光軸調整を行うことができる。この結果、例えば光ファイバ5の端面5aの所望の位置に焦点6が位置するように速やかに光軸調整することができ、長期的にもクリープもなく、振動及び衝撃による光軸ずれが起きにくく安定した半導体レーザ装置を実現でき、複数個の半導体レーザ1からのレーザ光2を1点に精密に集光して高輝度及び高出力化できる半導体レーザ装置を実現することができる。
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment)
1A to 1F are diagrams of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
1A is a plan view of the semiconductor laser device, FIG. 1B is a side view of the semiconductor laser device, FIG. 1C is a vertical sectional view of the semiconductor laser device, FIG. 1D is a sectional view taken along line AA of FIG. 1C, and FIG. 1E is of FIG. 1C. 1B is a sectional view taken along line BB and FIG. 1F is a sectional view taken along line CC of FIG. 1C. 1A to 1F, the same components are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
(Device configuration)
The semiconductor laser device includes a plurality of
Each rod-
The
The
The adjusting mechanism 41 presses the portion of the outer portion other than the protruding
Hereinafter, each component will be described in detail.
As a plurality of
Further, they are collimated by the
Each rod-
A ring-shaped
For example, each rod-shaped
In addition, each bar-shaped
Here, the reason why the
The reason for this will be described with reference to FIG. The
Therefore, when the
1D to 1E, the left and right swings are in the left-right direction and the vertical direction with respect to the center of the rod-shaped
If there are no
Therefore, with respect to the connecting portion of the LD1, on the rear end side of the fulcrum 13 on the same side as the X direction and the Y direction and along the U direction of 45 degrees between the X direction and the Y direction (see FIG. 1D), The adjusting
The
In the adjustment of the focus direction Z, after each rod-shaped
Next, a preferable shape of the rod-shaped
Further, it is preferable that the end surfaces of the adjusting screws 16, 17, 18 that come into contact with the rod-shaped
On the outer periphery of the
With such a configuration, the adjustment screws 22 and 23 in the X and Y directions are normally and reversely rotated to advance and retreat to adjust the optical axis, whereby the
The condensing
(Optical axis adjustment method)
Next, the optical axis adjusting method at the time of assembling the semiconductor laser device will be described in order with reference to FIG. 1C which is a sectional view and FIG. 1F which is a sectional view taken along line CC of the above configuration.
(A) Each rod-shaped
Since there is also rotation adjustment of the
(A) Next, as shown in FIG. 1F, the rod-shaped
(C) Next, the
The
(D) Next, the
(E) The adjustment screws 16, 17, and 18 are adjusted and fixed so that the remaining two
(F) Next, after fixing the
(G) While moving the
In the above adjustments (a) to (g), by arranging the
(Details of optical axis adjustment method)
Next, the details of the optical axis adjusting method using the
FIG. 4A shows an image that appears on the
Of the four
When the
On the other hand, while pressing with the
As described above, it is necessary to adjust the optical axis of the focal direction Z in advance before adjusting the optical axes of the X direction and the Y direction.
FIG. 4B is a
FIG. 4C is a
4D shows the first one in which the focus is focused on the
FIG. 4E is a monitor screen including the
In FIG. 4F, the laser light from the
Finally, in the
(Action)
By performing the above adjustment with the above configuration, it is possible to quickly adjust the optical axis of the
(effect)
As shown in FIG. 1F, by arranging the
First, the first effect will be described with reference to FIG. Conventionally, without rotating the
On the other hand, the incident angle and NA (numerical aperture) that can be incident on the optical fiber are physically determined. One
On the other hand, in the present embodiment, by arranging the
Next, the second effect will be described with reference to FIGS. 6 and 7. In FIG. 6, when the light is specularly reflected by the
FIG. 7A is a diagram in which a half-
As shown in FIG. 8, it is known that the operation of the LD becomes unstable as the return light becomes higher than about 10%, and the damage starts by about 50% of the return light, but in the meantime. The 10-50% return light level behavior is good and often unknown yet. The inventor conducted several hundred lifespan surveys after introduction of mass production, and as shown in FIG. 2, found that the higher the returning light level, the shorter the lifespan. We also found that the shortening of the life was due to the fatigue phenomenon caused by the returning light.
In this embodiment, the respective
Further, in the present embodiment, the
Further, since each end surface of the adjusting screws 16, 17, 18 in the X direction and the Y direction comes into contact with the rod-shaped
According to the above-described embodiment, a portion of the rod-shaped
By properly combining the arbitrary embodiments or modifications of the aforementioned various embodiments or modifications, the effects possessed by them can be produced. Further, a combination of the embodiments or a combination of the examples or a combination of the embodiment and the example is possible, and a combination of features in different embodiments or examples is also possible.
本発明の半導体レーザ装置は、複数個の半導体レーザを1点に精密に集光して高輝度及び高出力化することができる。更に、半導体レーザの配列を工夫すれば、戻り光で半導体レーザが破損するのを抑制することができる。また、半導体レーザとして、銅又は金に15倍以上の吸収を有する青色波長でも製作できるので、従来のLDレーザでは反射光が多くてうまくできなかった銅又は金のはんだ付け又は実装、又は溶接などの用途にも適用できる。 The semiconductor laser device of the present invention can precisely condense a plurality of semiconductor lasers at one point to achieve high brightness and high output. Furthermore, by devising the arrangement of the semiconductor lasers, it is possible to prevent the semiconductor lasers from being damaged by the returning light. Further, as a semiconductor laser, it is possible to manufacture even a blue wavelength having absorption of 15 times or more in copper or gold. Therefore, soldering or mounting of copper or gold, welding, etc., which could not be done well with the conventional LD laser due to a large amount of reflected light. It can also be used for.
1 LD(半導体レーザ)
2 レーザ光
3 コリメートレンズ
4 集光レンズ
5 光ファイバ
5a 光ファイバの端面(光ファイバ入射端面)
6 集光点(焦点)
7 光コネクタ
9 棒状部材(高熱伝導体)
9a 棒状部材の先端
9b 棒状部材の後端
9c 棒状部材の後端側の部分
10 リード線
11 中空隙間
12 第1ホルダ
12a 円形貫通穴
12b 第1螺子穴
12c 第2螺子穴
12d 第3螺子穴
13 支点(突起部)
16,17 棒状部材の調整螺子
18 棒状部材の調整螺子(プランジャピン)
18a プランジャ本体
18b バネ
18c ピン
18d おねじ
19 第2ホルダ
20 集光レーザ光
22,23 第2ホルダの調整螺子
30 光学系
31 カラー
32 螺子リング
41 調整機構
101 レーザ光
102 ファスト方向
103 スロー方向
110 反力
113 円
200 CCD
201 モニタ画面
204 第1ホルダのレーザ出口302 十字線
400 レーザ光
403 円
404 NAけられ
501 ミラー
502 ミラー
503 NA角
504 戻り光
601 戻り光の半値の範囲
901 LDの発光点
902 レーザ光
903 コリメート光
904 光レンズにより集光されたレーザ光
905 焦点
906 LDのレーザ光の出口の光軸中心
907 レーザ光
1 LD (semiconductor laser)
2
6 Focus point (focus)
7
9a Tip of rod-shaped
16, 17 Bar-shaped
201
Claims (7)
前記複数の半導体レーザからの半導体レーザ光がそれぞれ入射する光学系と、
前記複数の半導体レーザをそれぞれ先端に保持し、かつ、外側部でかつ長手方向の中間部の前記長手方向周りに少なくとも部分的に前記長手方向と直交する方向に突出して配置された突起部をそれぞれ有する複数の棒状部材と、
それぞれの前記突起部を介して前記棒状部材を保持するホルダと、
前記外側部における前記突起部以外の部分をホルダ側から押圧して前記棒状部材の前記先端の位置を前記光学系の光軸に対して調整する調整機構と、を備える半導体レーザ装置。 A plurality of semiconductor lasers,
An optical system into which semiconductor laser light from each of the plurality of semiconductor lasers is incident,
Protrusions that hold the plurality of semiconductor lasers respectively at the tips and that are arranged outside and project at least partially around the longitudinal direction of the intermediate portion in the longitudinal direction in a direction orthogonal to the longitudinal direction. A plurality of bar-shaped members having,
A holder for holding the rod-shaped member via each of the protrusions,
A semiconductor laser device comprising: an adjustment mechanism that presses a portion of the outer portion other than the protrusion from the holder side to adjust the position of the tip of the rod-shaped member with respect to the optical axis of the optical system.
前記調整機構は、前記突起以外の部分を押圧して前記棒状部材の前記先端の位置を調整しかつ前記長手方向周りに間隔をあけて配置された少なくとも4つの押圧部材を含む、請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。 There are at least four semiconductor lasers,
The adjusting mechanism includes at least four pressing members that press a portion other than the protrusion to adjust the position of the tip of the rod-shaped member and that are arranged at intervals around the longitudinal direction. 3. The semiconductor laser device according to any one of 3.
前記第1押圧部材はプランジャピンであり、前記外側部における前記突起部以外の部分を前記プランジャピンでホルダ側から弾性力で常時押圧して、前記突起部よりも先端側の部分において、前記光軸周りにおいて前記第1押圧部材の押圧方向とは反対方向に反力を発生させる、請求項4に記載の半導体レーザ装置。 With respect to each of the rod-shaped members, the pressing member includes a first pressing member that presses a portion of the outer portion of the rod-shaped member other than the protruding portion and on the rear end side of the protruding portion; And a plurality of second pressing members that are arranged at equal angles on both sides of the first pressing member and that press a portion of the rod-shaped member other than the protruding portion and a portion closer to the tip end side than the protruding portion. Composed,
The first pressing member is a plunger pin, and a portion of the outer portion other than the protruding portion is constantly pressed by the plunger pin from the holder side by an elastic force, and the portion of the outer side portion closer to the tip end than the protruding portion is the optical member. The semiconductor laser device according to claim 4, wherein a reaction force is generated around an axis in a direction opposite to a pressing direction of the first pressing member.
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