CN102957088A

CN102957088A - 光学构件和光学模块

Info

Publication number: CN102957088A
Application number: CN2012102856898A
Authority: CN
Inventors: 川上俊之; 神川刚
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2013-03-06
Also published as: EP2557642A3; JP2013041005A; EP2557642A2; US20130038938A1

Abstract

本发明公开了一种光学构件和光学模块。该光学构件发射或者透射460nm或者更小的波长的激光，并且由电介质膜形成的第一涂层施加在其表面的至少一部分上，以及由包含贵金属或者铂族元素的电介质膜形成的第二涂层施加在该第一涂层上。

Description

光学构件和光学模块

技术领域

本发明涉及发射和透射短波长激光的光学构件的涂层。

背景技术

近年来，考虑到方向性和减小能耗，采用发光二级管（LED）元件、半导体激光器元件等作为各种光源已经引起了注意。例如，氮化物半导体激光器元件由于它们的短振荡波长而显示出作为磷光体的激发光源的极大前途；并且通过波长在蓝到近紫外线区域中的光辐射磷光体，光可转换成三原色而被使用。特别是，采用由氮化物半导体激光器产生的短波长、高输出激光显示出作为投影仪和电视机等中使用的下一代光源的前途。

然而，由密封在封闭容器中的半导体激光器元件、准直透镜、聚光透镜和光纤等形成的激光器模块的一个已知的问题是，密闭容器内的残留污染物粘附到半导体激光器元件的发光面或者粘附到诸如透镜和光纤的光学构件，降低了激光器的性能。污染物的示例包括存在于操作气氛中的碳氢化合物、硅化合物等，这些化合物可通过激光和热被聚合或者分解，进而导致粘附。

迄今，为了解决此问题已经提出了各种方法。例如，日本特开专利申请第H11-167132号指出，将环境中的碳氢化合物含量降低至0.1%或者更小在防止400nm或者更短激光输出的减小方面是有效的，并且可由此避免碳氢化合物由于光分解在光学构件等上的沉积。

美国专利第5392305号描述了将100ppm或者更多的氧气混合到气氛气体中，其目的是分解碳氢化合物气体从而防止碳氢化合物由于光分解而粘附到半导体激光器元件的面上。

日本特开专利申请第2004-14820号描述了在密闭的容器内设置具有气体吸收功能的物质，从而不仅防止碳氢化合物的粘附，而且防止源自硅氧烷等的有机硅化合物的粘附。

日本特开专利申请第2009-21548号描述了贵金属或者诸如钯的铂族金属在抑制硅化合物粘附上的效果，尽管其机理并不清楚。

日本特开专利申请第2004-179595号指出将光催化剂涂层施加到半导体激光器模块的内壁、半导体激光器模块的光通过区域、光纤的光进入端、或光纤的光出射端中的至少一个，光催化剂涂层由半导体激光器发射的光活化。

然而，因为上述现有技术构成在密闭气氛的情况下所采用的技术方案，所以存在以下问题，没有密封在气密环境内的光学构件的污染程度可能依据产品的操作环境而被影响。

而且，半导体激光器元件自身的问题在于，上述问题由于其发光面上极高的光密度和温度而加剧。特别是，在存在氧的情况下的硅化合物的粘附作为考虑的主要问题。

发明内容

本发明设计以解决上述问题，其目的在于提供一种防止光学构件的污染的方法，该光学构件不密封在采用短波长、高输出激光器元件的光学模块中的气密环境中。

为了实现上述目的，根据本发明的光学构件发射或者透射460nm或者更小的波长的激光，并且该光学构件具有一方面（第一方面）使得由电介质膜形成的第一涂层施加在其表面的至少一部分上，并且由包含贵金属或者铂族元素的电介质膜形成的第二涂层施加在第一涂层上。

在构成上述第一方面的光学构件的优选方面（第二方面）中，第二涂层具有5at%或者更大的贵金属或者铂族元素含量。

在构成上述第一或者第二方面的光学构件的优选方面（第三方面）中，第二涂层的厚度为

或者更小。

在构成上述第一至第三方面之一的光学构件的优选方面（第四方面）中，该构件是半导体激光器元件。

在构成上述第一至第三方面之一的光学构件的优选方面（第五方面）中，该构件是半导体激光器的盖玻璃（cap glass）。

在构成上述第一至第三方面之一的光学构件的优选方面（第六方面）中，该构件是准直透镜。

在构成上述第一至第三方面之一的光学构件的优选方面（第七方面）中，该构件是聚光透镜。

在构成上述第一至第三方面之一的光学构件的优选方面（第八方面）中，该构件是分束器。

根据本发明的光学模块具有半导体激光器元件、盖玻璃、准直透镜、分束器以及聚光透镜，其中半导体激光器元件安装在封装体内且用于发射激光，盖玻璃用于将半导体激光器元件发射的激光引导到封装体之外，准直透镜用于准直由盖玻璃引出的激光，分束器用于将由准直透镜准直的激光分裂，聚光透镜用于聚集由分束器分裂的激光；并且光学模块具有一方面（第九方面）使得由电介质膜制成的第一涂层施加到半导体激光器元件、盖玻璃、准直透镜、分束器和聚光透镜中的至少一个的表面的至少一部分，且由包含贵金属或铂族元素的电介质膜制成的第二涂层施加在第一涂层上。

在构成上述第九方面的光学模块的优选方面（第十方面）中，半导体激光器元件发射460nm或者更小的波长的激光。

根据本发明，通过对光学构件的涂层材料进行修改能够防止有机硅化合物、碳氢化合物等的污染。因此，能够制造寿命较长和可靠性较高的产品，即使当污染源存在于产品的运行环境中时。

本发明的进一步的特征、元件、步骤、优点和特性通过下面给出的实施本发明的优选模式以及与其相关的附图的详细描述将变得明晰。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的光学模块的示意概要图；以及

图2是氮化物半导体激光器元件的示意性纵向截面图。

参考标号表

1 光学模块（半导体激光器模块）

10 氮化物半导体激光器元件

20 盖玻璃

30 准直透镜

40 分束器

50 聚光透镜

60 光敏二极管

70 罐封装体

A 低反射率层（第一涂层）

B 污染防止层（第二涂层）

C 高反射率层

X 有源层

α 激光

具体实施方式

<在先试验>

在创造本发明之前，长期操作之后，本发明人对采用短波长（405nm波带）、高输出（瓦特级）氮化物半导体激光器的光学模块中的光学构件的测试实际上揭示污染物被认为是包含硅的粘附物质。因为这样的污染更容易在较短波长的激光发生，所以上述污染问题被认为容易发生在发射或者透射至少波长为460nm（蓝光波长）或者更短的光学构件中。

下面，参考附图详细地描述根据上述在先试验创造的本发明的具体实施例。

<光学模块>

图1是根据本发明第一实施例的光学模块的示意概要图。根据本发明的光学模块（半导体激光器模块）1具有氮化物半导体激光器元件10、盖玻璃20、准直透镜30、分束器40、聚光透镜50、光敏二极管60和罐封装体70。图1中的标号α表示光学模块1产生的激光的状态（引导路径）。设想光学模块1用作投影仪等的光源。

氮化物半导体激光器元件10是光学模块1中包括的一个光学构件，并且安装在罐封装体70内且发射激光α。

盖玻璃20是光学模块1中包括的一个光学构件，并且引导由氮化物半导体激光器元件10发射的激光α到罐封装体70之外。

准直透镜30是光学模块1中包括一个光学构件，并且使盖玻璃20引导的激光α准直。

分束器40是光学模块1中包括的一个光学构件，并且将准直透镜30准直的激光α分裂成两个光束。

聚光透镜50是光学模块1中包括的一个光学构件，并且聚集由分束器40分裂的激光α。

光敏二极管60是光学模块1中包括的一个光学构件，并且受到由分束器分裂的激光α的照射。

罐封装体70是罐形构件，其内安装有氮化物半导体激光器元件10。

具有上述构造的光学模块1构造使得安装在具有盖玻璃20的罐封装体70内的氮化物半导体激光器元件10（激光α振荡波长:405nm波带）用作激光光源，由准直透镜30准直的激光α由分束器40分裂向聚光透镜50和光敏二极管60，并且激光α由聚光透镜50聚焦到辐射目标上。

图2是氮化物半导体激光器元件10的示意性纵向截面图。如图2所示，由电介质膜（例如，SiO₂）制成的低反射率层A（相当于第一涂层）形成在氮化物半导体激光器元件10的发光面上，氮化物半导体激光器元件10从有源层X发射激光α，从而促进405nm波带的激光α的透射。污染防止层B（相当于第二涂层）形成在低反射率层A的表面上，污染防止层B由已加入5%的贵金属或者铂族金属（例如，钯）的电介质膜（例如，SiO₂）形成，从而抑制发光面的污染（硅化合物粘附）。高反射率层C形成在氮化物半导体激光器元件10的与发光面相对的面上，高反射率层C由电介质膜（例如，SiO₂和TiO₂的多层膜）或者金属膜（例如，铝、金或者银）形成。在金属膜用作高反射率层C的情况下，必须将其与用作底涂（undercoat）的电介质膜结合，从而防止氮化物半导体激光器元件10的p型层和n型层之间短路。

低反射率层A和污染防止层B还以层状形成在形成光学模块1的构成元件的其它光学构件的光透射表面（盖玻璃20的一个表面[外侧表面]、准直透镜30的两个表面、分束器40的两个表面以及聚光透镜50的两个表面）的每一个上，如图1所示。

<关于污染防止层的观察>

本申请的发明人发现，在光学构件的最外表面上的贵金属或者诸如钯的铂族金属具有抑制硅化合物粘附的效果，尽管其机理尚不清楚。因此，在光学构件的每一个上采用贵金属或者铂族金属执行硅化合物防粘手段（measure）在确保光学模块1的可靠性上有着高有效性。

特别是，其中在光学构件的每个上采用贵金属或者铂族金属实施硅化合物防粘手段的构造使得污染能够被抑制，而与产品的操作环境无关，即使在没有气密密封的光学构件中。硅化合物粘附被认为容易发生在半导体激光器元件10的发光面上，这是因为当输出激光α时光密度和温度变得极高。因此，通过在半导体激光器元件10的发光面上采用贵金属或者铂族来实施硅化合物防粘手段，可有效抑制诸如上述的污染。

金属接合的结构也起到吸收光的作用。因此，形成在光学构件的每个的外表面上的污染防止层B优选为不大于某一厚度。认为自污染防止层B的表面层达约十个原子层产生防污染效果。因此，污染防止层B的贵金属或者铂族含量（浓度）优选不小于某个量。

贵金属或者铂族金属的上述防污染效果即使在光学构件的每个的整个表面不被贵金属或者铂族金属覆盖时也可获得。这被认为是因为相比于金属原子的尺寸，作为污染源的硅氧烷等的分子尺寸大。例如，当污染防止层B具有5at%的贵金属或者铂族金属含量（浓度）时，污染防止层B形成在其上的表面的50%可描述为被贵金属或者铂族金属覆盖。而且，当贵金属或者铂族金属在污染防止层B内均匀分布时，出现仅约一个原子大小的交替间隙，期待诸如硅氧烷的硅化合物分子粘附的极小余地。

同时，如前所述，形成金属接合的贵金属或者铂族金属也用以吸收光。金属材料的光吸收系数根据波长而变化，但是约为5×10⁵cm^-3至1×10⁶cm^-3。因此，假设污染防止层B中包含的贵金属或者铂族金属的光吸收作用相当于纯金属的光吸收作用，则具有5at%的贵金属或者铂族金属含量（浓度）和

厚度的污染防止层B的光吸收率为3至5%。当污染防止层B的厚度为

时，污染防止层B具有甚至更小的光吸收率（约1至2%），这在引入多个光学构件时是有利的。

在以上观察的基础上，添加到污染防止层B的贵金属或者铂族金属的量（浓度）优选为5at%或者更大，并且污染防止层B的厚度优选为

或者更小。

在以上给出的示例中，SiO₂是污染防止层B的基体材料（matrixmaterial）；然而，污染防止层B的基体材料不限于此；它可选自包括氧化物、氮化物、氟化物等的各种电介质材料，氧化物诸如Al₂O₃和Ta₂O₅、氮化物诸如SiN和AlN，氟化物诸如MgF₂。通过采用这些基体材料，能够容易且精确地制造污染防止层B，污染防止层B显示出低的光吸收性和较好的防污染效果。添加到基体材料的物质可选自除以上示例中给出的钯之外的铂族金属镍或铂，或者可替换地选自贵金属金、银、铱、铑、锇或钌。

<形成污染防止层的方法>

接下来，将参考图1描述形成污染防止层B的方法。首先，低反射率层A形成在光学构件（半导体激光器元件10、盖玻璃20、准直透镜30、分束器40和聚光透镜50）的基体材料的表面上。低反射率层A可构造为单层或者包括1至3个电介质膜的组合的复合层，并且可自由设计以产生所希望的属性。电子束气相沉积方法、溅射方法或化学气相沉积（CVD）方法可用作形成电介质膜的方法。

接下来，污染防止层B形成在上述低反射率层A的表面上。电子束方法或者溅射方法可用作形成污染防止层B的方法；出于膜成分的稳定性的考虑，优选采用溅射方法。在溅射方法中，可预先制备具有希望的成分（例如，包含5at%的钯的SiO₂）的靶构件，或者也可采用共溅射方法，其中对于在基体（例如，SiO₂）上的贵金属或者铂族金属（例如，钯）执行溅射。

<变型>

除前面的实施例之外，本发明的构造可做出本发明精神内的各种修改。

例如，在以上给出的实施例中，描述了这样的构造示例，其中低反射率层A和污染防止层B以层状形成在氮化物半导体激光器元件10的发光面、盖玻璃20的一个表面（外表面）、准直透镜30的两个表面、分束器40的两个表面以及聚光透镜50的两个表面的每一个上；然而，本发明的构造不限于此；低反射率层A和污染防止层B以层状形成在盖玻璃20的另一表面（内表面）、光敏二极管60的光接收表面等上的构造也是可能的。

在罐封装体70的内部首先清洁之后采用高度气密方法密封罐封装体70的情况下，几乎没有硅氧烷存在于盖玻璃20的内侧上，因此允许省略在盖玻璃20的另一表面（内表面）上设置由低反射率层A和污染防止层B形成的涂层，如以上实施例中所述。在没有首先清洁其内部而采用高度气密方法密封罐封装体70的情况下，或者在采用气密性差的方法密封罐封装体70的情况下，优选将由低反射率层A和污染防止层B形成的涂层不仅施加在盖玻璃20的一个表面（外表面）上而且施加在另一表面（内表面）上，因为硅氧烷可潜在地存在于盖玻璃20内。

光敏二极管60通常为用于监控激光α的量的构件，并且激光α的一部分照到其上。这样，因为仅少量的光照到光敏二极管60上，所以光敏二极管60的光接收表面的温度不容易升高，从而几乎不存在硅氧烷降解产物粘附的风险。这样，即使从光敏二极管60的光接收表面省略由低反射率层A和污染防止层B形成的涂层，也预期没有特别的问题。然而，当成本不是问题时，也可将由低反射率层A和污染防止层B形成的涂层施加到光敏二极管60的光接收表面。

<工业实用性>

本发明可作为一种用于防止光学构件的污染的技术，该光学构件在例如采用短波长、高输出激光器元件的光学模块中没有被气密密封。

Claims

1.一种光学构件，包括:

第一涂层，由电介质膜制成，施加到该光学构件的表面的至少一部分；以及

第二涂层，由包含贵金属或者铂族元素的电介质膜制成，施加在该第一涂层上；其中:

该光学构件发射或者透射460nm或者更小的波长的激光。

2.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该第二涂层具有5at%或者更大的铂族元素或者贵金属含量。

3.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该第二涂层具有

或者更小的厚度。

4.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该光学构件是半导体激光器元件。

5.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该光学构件是半导体激光器的盖玻璃。

6.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该光学构件是准直透镜。

7.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该光学构件是聚光透镜。

8.根据权利要求1所述的光学构件，其中:

该光学构件是分束器。

9.一种光学模块，包括:

半导体激光器元件，安装在封装体内，并且用于发射激光；

盖玻璃，用于将由该半导体激光器元件发射的激光引导到该封装体之外；

准直透镜，用于准直由该盖玻璃引导出的该激光；

分束器，用于分裂由该准直透镜准直的该激光；以及

聚光透镜，用于聚集由该分束器分裂的该激光；其中：

由电介质膜制成的第一涂层施加到该半导体激光器元件、盖玻璃、准直透镜、分束器和聚光透镜中至少一个的表面的至少一部分；并且

由包含贵金属或者铂族元素的电介质膜制成的第二涂层施加在该第一涂层上。

10.根据权利要求9所述的光学构件，其中：

该半导体激光器元件发射460nm或者更小的波长的激光。