JP2024058271A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能なレーザモジュールを提供する。
【解決手段】配列レーザビーム生成部２１は、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する。光学ユニット１２３には配列レーザビームが入射される。光学ユニット１２３は、偏光ビームスプリッタ１２と、配列レーザビームが入射される偏光ビームスプリッタ１２の第１の入射面に拡散接合によって接合されることによって偏光ビームスプリッタ１２と一体化されている波長板１３とを含む。偏光ビームスプリッタ１２及び波長板１３は、第１の入射面及び配列レーザビームが入射される波長板１３の第２の入射面における配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第１の寸法が配列方向の第２の寸法より小さい直方体に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザモジュールに関する。

特許文献１に記載されているようなレーザモジュールは、レーザ発振器の励起光源として用いられる。

特開２０２１－１８０２７３号公報

近年、レーザモジュールの高出力化が求められている。レーザモジュールを高出力化するには、光源であるレーザダイオード自体の出力を向上させるか、レーザダイオードの数を増やせばよい。レーザダイオードより射出されるレーザビームの出力は数ワットから数十ワットであり、出力を向上させるには限界がある。そこで、レーザダイオードの数を増やすことによりレーザモジュールを高出力化することが可能となる。

複数のレーザダイオードから射出されるレーザビームは、互いに同じ波長を有し、伝送用の光ファイバに入射されるまでの光路長が互いに異なる。その同じ波長を有する複数のレーザビームにおける各レーザビームは、各レーザビーム用の光学部品に入射したり反射したりして、光ファイバへと伝送される。このとき、各レーザビームは他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられないようにして、複数のレーザビームを高さ方向に配列させた状態で光ファイバまで伝送する必要がある。

すると、レーザモジュールが備える光学部品は高さ方向に配列させた状態の複数のレーザビームを入射しなければならないため、光学部品が大型化する。光学部品が大型化すればレーザモジュールが大型化して、コストが高くなる。レーザモジュールを低コスト化するため、レーザモジュールの小型化が求められている。

１またはそれ以上の実施形態の一態様は、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、前記配列レーザビームが入射される光学ユニットとを備え、前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第１の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含み、前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第１の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第２の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第１の寸法が前記配列方向の第２の寸法より小さい直方体に形成されているレーザモジュールを提供する。

１またはそれ以上の実施形態の一態様によれば、偏光ビームスプリッタと波長板とが拡散接合によって接合されているからレーザモジュールが小型化される。１またはそれ以上の実施形態の一態様によれば、偏光ビームスプリッタ及び波長板は配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第１の寸法が配列方向の第２の寸法より小さい直方体に形成されているので、レーザモジュールがさらに小型化される。

１またはそれ以上の実施形態に係るレーザモジュールによれば、レーザモジュールを小型化することができる。

図１は、第１実施形態に係るレーザモジュールを示す平面図である。 図２は、第１実施形態に係るレーザモジュールにおける光学ユニットの好ましい構成を示す斜視図である。 図３は、第２実施形態に係るレーザモジュールを示す部分平面図である。 図４は、第２実施形態に係るレーザモジュールにおける光学ユニットの好ましい構成を示す斜視図である。

１またはそれ以上の実施形態に係るレーザモジュールは、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、前記配列レーザビームが入射される光学ユニットとを備える。前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第１の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含む。前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第１の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第２の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第１の寸法が前記配列方向の第２の寸法より小さい直方体に形成されている。

以下、各実施形態に係るレーザモジュールについて、添付図面を参照して具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１において、第１実施形態に係るレーザモジュール１００は、筐体１０内に、チップオンサブマウント（以下、ＣＯＳ）１ａ～１ｋ及び１ｍを備える。ＣＯＳ１ａ～１ｍのうちのいずれかを特定しないＣＯＳをＣＯＳ１と称することとする。各ＣＯＳ１は、レーザビームを射出するレーザダイオード２を含む。ＣＯＳ１ａ～１ｆのレーザダイオード２は主としてＰ偏光を含むレーザビームを＋Ｘ方向に射出し、ＣＯＳ１ｇ～１ｍのレーザダイオード２は主としてＰ偏光を含むレーザビームを－Ｘ方向に射出する。各ＣＯＳ１のレーザダイオード２より射出されるレーザビームは互いに同じ波長を有する。

ＣＯＳ１ａ～１ｆは、それぞれ、筐体１０の底面に階段状に設けた配置面６ａ～６ｆに固定されている。配置面６ａ～６ｆは、配置面６ａが最も高い位置にあり、配置面６ａから配置面６ｆまで順に低くなっている。ＣＯＳ１ｇ～１ｋ及び１ｍは、それぞれ、筐体１０の底面に階段状に設けた配置面６ｇ～６ｋ及び６ｍに固定されている。配置面６ｇ～６ｋ及び６ｍは、配置面６ｇが最も高い位置にあり、配置面６ｇから配置面６ｍまで順に低くなっている。

ＣＯＳ１ａ～１ｆの各端面には、レーザダイオード２と対向するように、速軸コリメートレンズ３ａ～３ｆが配置されている。ＣＯＳ１ｇ～１ｋ及び１ｍの各端面には、レーザダイオード２と対向するように、速軸コリメートレンズ３ｇ～３ｋ及び３ｍが配置されている。速軸コリメートレンズ３ａ～３ｍのうちのいずれかを特定しない速軸コリメートレンズを速軸コリメートレンズ３と称することとする。各速軸コリメートレンズ３の射出面は、レーザビームを速軸方向に平行光化するような曲面を有する。

配置面６ａ～６ｆには、それぞれ、遅軸コリメートレンズ４ａ～４ｆ、及びミラー５ａ～５ｆが固定されている。配置面６ｇ～６ｋ及び６ｍには、それぞれ、遅軸コリメートレンズ４ｇ～４ｋ及び４ｍ、及びミラー５ｇ～５ｋ及び５ｍが固定されている。遅軸コリメートレンズ４ａ～４ｍのうちのいずれかを特定しない遅軸コリメートレンズを遅軸コリメートレンズ４と称し、ミラー５ａ～５ｍのうちのいずれかを特定しないミラーをミラー５と称することとする。各遅軸コリメートレンズ４の射出面は、レーザビームを遅軸方向に平行光化するような曲面を有する。

各速軸コリメートレンズ３及び各遅軸コリメートレンズ４によって速軸方向及び遅軸方向の双方にコリメート光とされたレーザビームは、各ミラー５で反射して進行方向が９０度曲げられる。ミラー５ａ～５ｆは階段状の配置面６ａ～６ｆに配置されているから、ミラー５ａ～５ｆから＋Ｙ方向に射出されるレーザビームは、高さ方向に配列した状態で進行する第１の配列レーザビームとなる。同様に、ミラー５ｇ～５ｍは階段状の配置面６ｇ～６ｍに配置されているから、ミラー５ｇ～５ｍから＋Ｙ方向に射出されるレーザビームは、高さ方向に配列した状態で進行する第２の配列レーザビームとなる。

ＣＯＳ１ａ～１ｆ、速軸コリメートレンズ３ａ～３ｆ、遅軸コリメートレンズ４ａ～４ｆ、及びミラー５ａ～５ｆは、第１の配列レーザビームを生成して射出する第１の配列レーザビーム生成部２１を構成する。ＣＯＳ１ｇ～１ｍ、速軸コリメートレンズ３ｇ～３ｍ、遅軸コリメートレンズ４ｇ～４ｍ、及びミラー５ｇ～５ｍは、第２の配列レーザビームを生成して射出する第２の配列レーザビーム生成部２２を構成する。

筐体１０の＋Ｙ方向の端部の底面には、三角柱状のミラー１１、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３とが一体化された光学ユニット１２３、波長安定化素子１４、速軸集束レンズ１５、遅軸集束レンズ１６が固定されている。偏光ビームスプリッタ１２及び１／２波長板１３は光学部品である。第２の配列レーザビーム生成部２２より射出された主としてＰ偏光を含む第２の配列レーザビームは、ミラー１１の光学薄膜１１ａで反射して進行方向が９０度曲げられて、偏光ビームスプリッタ１２に入射する。光学薄膜１１ａは誘電体多層膜によって構成されている。ミラー１１で反射した第２の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２の光学薄膜１２ａを透過して－Ｘ方向に進行する。

第１の配列レーザビーム生成部２１より射出された主としてＰ偏光を含む第１の配列レーザビームは、１／２波長板１３に入射されて主としてＳ偏光に変換される。主としてＳ偏光に変換された第１の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２の光学薄膜１２ａで反射して進行方向が９０度曲げられて－Ｘ方向に進行する。光学ユニット１２３からは、第１の配列レーザビームと第２の配列レーザビームとが合成された合成配列レーザビームが射出される。

合成配列レーザビームは波長安定化素子１４に入射されて波長が安定化され、速軸集束レンズ１５及び遅軸集束レンズ１６によって速軸方向及び遅軸方向に集束される。なお、レーザビームの波長は任意である。筐体１０には、円筒状のファイバ保持部１７を介して光ファイバ１８が装着されている。集束された合成配列レーザビームは、光ファイバ１８の端面１８ｅに入射して伝送される。

各ＣＯＳ１のレーザダイオード２より射出されて光ファイバ１８に入射されるレーザビームは、光路長が互いに異なる。ＣＯＳ１ａ～１ｆのレーザダイオード２より射出される各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列した状態の第１の配列レーザビームとして伝送される。あるレーザビームが他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられないようにするとは、例えばＣＯＳ１ａから射出されたレーザビームがミラー５ｂ～５ｆによって進行が妨げられないようにするということである。

また、ＣＯＳ１ｇ～１ｍのレーザダイオード２より射出される各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列した状態の第２の配列レーザビームとして伝送される。よって、レーザモジュール１００によって生成される合成配列レーザビームは高効率である。

以上のように構成されたレーザモジュール１００において、光学ユニット１２３は次のように構成されているのがよい。偏光ビームスプリッタ１２は無色の光学ガラスで形成され、１／２波長板１３は石英で形成されている。従って、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３との材質が異なるから両者の熱膨張率が異なる。熱膨張率が異なる２つの部材の接合には接着剤が用いられることがある。しかしながら、光学ユニット１２３には高出力のレーザビームが入射するので、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３とを接着剤で接合すると接着剤が焼損する。よって、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３との接合に接着剤を用いることは適切でない。

ガラス等の２つの部材の接着剤を用いない直接的な接合方法として、２つの部材の分子の引き合う力を利用して２つの部材を接合するオプティカルコンタクトが用いられることがある。ところが、オプティカルコンタクトは接合強度が弱いため、熱膨張率が異なる偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３との接合にオプティカルコンタクトを用いると、１００度近くまで上昇する温度変化によって、接合されている１／２波長板１３が剥がれてしまう。

そこで、第１実施形態においては、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３との接合面で原子の拡散が発生する高温下で両者を熱処理する拡散接合を用いて、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３とを接合している。偏光ビームスプリッタ１２の第１の配列レーザビームが入射される面を第１の入射面とすると、１／２波長板１３は第１の入射面に拡散接合によって接合されることによって、偏光ビームスプリッタ１２と一体化されている。

第１実施形態においては、特許文献１に記載のように偏光ビームスプリッタと１／２波長板とを互いに離隔して配置するのではなく、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３が一体化された光学ユニット１２３を用いることで、レーザモジュール１００を小型化することができる。しかも、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３とを接着剤を用いることなく拡散接合によって一体化しているので、接着剤が焼損するという不具合が発生せず、高熱により１／２波長板１３が剥がれてしまうという不具合もほとんど発生しない。

さらに、光学ユニット１２３を次のように構成することが好ましい。１／２波長板１３の第１の配列レーザビームが入射される面を第２の入射面とする。図２に示すように、偏光ビームスプリッタ１２の第１の入射面、及び１／２波長板１３の第２の入射面の幅をＷ１とし、高さをＨ１とする。幅Ｗ１とは、第１及び第２の入射面における第１の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の両端間の第１の寸法である。高さＨ１とは、第１及び第２の入射面における配列方向の両端間の第２の寸法である。光学ユニット１２３は、幅Ｗ１（第１の寸法）が高さＨ１（第２の寸法）より小さい直方体である。

一般的な偏光ビームスプリッタは立方体のキューブ型である。配列されたレーザビームを入射する偏光ビームスプリッタとしてキューブ型の偏光ビームスプリッタを用いると、配列数が増えるほど筐体１０の底面における設置面積が増え、レーザモジュール１００を小型化することができない。光学ユニット１２３を直方体とすることにより、レーザモジュール１００を小型化することが可能となる。

図２において、幅Ｗ１を、第１の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の幅である第３の寸法と同じ寸法とするのがよい。高さＨ１は、図１に示す例では第１の配列レーザビームの高さ方向の６個のレーザビームが入射可能な高さとすればよい。光学ユニット１２３の幅Ｗ１を第１の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、筐体１０の底面における設置面積を最小にすることができ、レーザモジュール１００をさらに小型化することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図３に示す第２実施形態に係るレーザモジュール２００において、第１の配列レーザビーム生成部２３は、ＣＯＳ１、速軸コリメートレンズ３、遅軸コリメートレンズ４、ミラー５の組を９組備える。第２の配列レーザビーム生成部２４も、ＣＯＳ１、速軸コリメートレンズ３、遅軸コリメートレンズ４、ミラー５の組を９組備える。

第１の配列レーザビーム生成部２３は、図１の第１の配列レーザビーム生成部２１と同様に、第１の配列レーザビームを生成して射出する。第２の配列レーザビーム生成部２４は、図１の第２の配列レーザビーム生成部２２と同様に、第２の配列レーザビームを生成して射出する。第１及び第２の配列レーザビームを構成する各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列されている。図３において、筐体１０は図示が省略されている。

第１の配列レーザビームは、ミラー３１で反射して進行方向が９０度曲げられて、光学ユニット１２３’に入射する。第２の配列レーザビームは、ミラー３２で反射して進行方向が９０度曲げられて、光学ユニット１２３’に入射する。光学ユニット１２３’は偏光ビームスプリッタ１２’と１／２波長板１３’とを備え、偏光ビームスプリッタ１２’の第１の入射面に１／２波長板１３’が拡散接合によって接合されて、両者が一体化されている。１／２波長板１３’には、第１の配列レーザビームと第２の配列レーザビームとがレーザビームの配列方向と直交する方向に並べられた状態で入射する。

第１及び第２の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２’の光学薄膜１２ａ’で反射して進行方向が９０度曲げられる。

図４に示すように、偏光ビームスプリッタ１２’の第１の入射面、及び１／２波長板１３’の第２の入射面の幅をＷ２とし、高さをＨ２とする。幅Ｗ２とは、第１及び第２の入射面における、第１及び第２の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の両端間の第１の寸法である。高さＨ２とは、第１及び第２の入射面における配列方向の両端間の第２の寸法である。光学ユニット１２３’は、幅Ｗ２（第１の寸法）が高さＨ２（第２の寸法）より小さい直方体である。光学ユニット１２３’を直方体とすることにより、レーザモジュール２００を小型化することが可能となる。

図４において、幅Ｗ２を、並べられた第１及び第２の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第４の寸法と同じ寸法とするのがよい。高さＨ２は、図３に示す例では第１及び第２の配列レーザビームの高さ方向の９個のレーザビームが入射可能な高さとすればよい。光学ユニット１２３’の幅Ｗ２を並べられた第１及び第２の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、筐体１０の底面における設置面積を最小にすることができ、レーザモジュール２００をさらに小型化することが可能となる。

一例として、並べられた第１及び第２の配列レーザビームの幅が１６ｍｍ、高さが３２ｍｍであるとき、幅Ｗ２を１６ｍｍ、高さＨ２を３５ｍｍとしてよい。高さＨ２を３２ｍｍとしてもよい。なお、寸法には当然誤差が存在するため、幅Ｗ２を並べられた第１及び第２の配列レーザビームの幅と同じ幅とする場合であっても、±０．１ｍｍ程度のずれがある場合がある。このような場合であっても、幅Ｗ２は、並べられた第１及び第２の配列レーザビームの幅と同じ幅であると言える。

以上説明した第２実施形態においては、光学ユニット１２３’に２つの配列レーザビームが並べられた状態で入射されるが、光学ユニットに３つまたはそれ以上の配列レーザビームが並べられた状態で入射されてもよい。この場合においても、光学ユニットの幅を並べられた複数の配列レーザビームの幅と同じ幅とするのがよい。

以上説明した第１及び第２実施形態においては、波長板を１／２波長板１３として、偏光ビームスプリッタ１２と１／２波長板１３とを一体化した光学ユニット１２３を用いている。偏光ビームスプリッタ１２と１／４波長板または１／８波長板とを一体化した光学ユニットを用いる構成においても、光学ユニットを直方体とすることにより、レーザモジュールを小型化することが可能となる。１／４波長板とは直線偏光を円偏光に変換する光学部品であり、１／８波長板とは円偏光を楕円偏光にする光学部品である。

偏光ビームスプリッタ１２と１／４波長板または１／８波長板とを一体化した光学ユニットにおいても、直方体の幅を配列レーザビームまたは並べられた複数の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、レーザモジュールをさらに小型化することが可能となる。

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。図１に示すレーザモジュール１００及び２００は、筐体１０の底面を水平面としているので、水平面と直交する鉛直方向の寸法を高さ、水平面と平行方向の寸法を幅と表現している。レーザモジュール１００の配置の仕方によっては、筐体１０の底面を水平面とした場合とは異なる方向の寸法が高さまたは幅と称されることがある。レーザモジュール１００の配置の仕方にかかわらず、偏光ビームスプリッタ１２または１２’及び波長板（１／２波長板１３または１３’）の第１及び第２の入射面における、配列レーザビームの配列方向と直交する方向の寸法が第１の寸法であり、配列方向の寸法が第２の寸法である。配列レーザビームの配列方向と直交する方向の寸法が第３の寸法であり、並べられた第１及び第２の配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の寸法が第４の寸法である。

１，１ａ～１ｋ，１ｍ チップオンサブマウント
２ レーザダイオード
３，３ａ～３ｋ，３ｍ 速軸コリメートレンズ
４，４ａ～４ｋ，４ｍ 遅軸コリメートレンズ
５，５ａ～５ｋ，５ｍ，１１ ミラー
１０ 筐体
１２ 偏光ビームスプリッタ
１３ １／２波長板
１４ 波長安定化素子
１５ 速軸集束レンズ
１６ 遅軸集束レンズ
１７ ファイバ保持部
１８ 光ファイバ
２１，２３ 第１の配列レーザビーム生成部
２２，２４ 第２の配列レーザビーム生成部
１００，２００ レーザモジュール
１２３ 光学ユニット

Claims (3)

1. レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、
   前記配列レーザビームが入射される光学ユニットと、
   を備え、
   前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第１の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含み、
   前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第１の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第２の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第１の寸法が前記配列方向の第２の寸法より小さい直方体に形成されている
   レーザモジュール。
2. 前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第１及び第２の入射面における前記第１の寸法が、前記配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の第３の寸法と同じ寸法の直方体に形成されている請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記配列レーザビーム生成部として、
   レーザビームが前記配列方向に配列した第１の配列レーザビームを生成して射出する第１の配列レーザビーム生成部と、
   レーザビームが前記配列方向に配列した第２の配列レーザビームを生成して射出する第２の配列レーザビーム生成部と、
   を備え、
   前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板には、前記第１の配列レーザビームと前記第２の配列レーザビームとが前記配列方向と直交する方向に並べられた状態で入射し、
   前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第１及び第２の入射面における前記第１の寸法が、並べられた前記第１及び第２の配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の第４の寸法と同じ寸法の直方体に形成されている
   請求項２に記載のレーザモジュール。

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