JP2020129578A - Semiconductor laser light source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ光源装置に関し、特に複数の半導体レーザチップを有する半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser light source device, and more particularly to a semiconductor laser device having a plurality of semiconductor laser chips.
プロジェクタ用の光源として、半導体レーザチップを利用することが進められている。近年、このように半導体レーザチップを光源として用いながらも、更に光出力を高めた光源装置が市場から期待されている。 The use of semiconductor laser chips as light sources for projectors is being promoted. In recent years, the market is expected to use a light source device that further increases the light output while using the semiconductor laser chip as a light source.
光源側の光出力を高めるためには、複数の半導体レーザチップから出射された光を集光する方法が考えられる。しかし、半導体レーザチップには一定の幅が存在し、これらを密接して配置することには限界がある。つまり、単に複数の半導体レーザチップを配置するだけでは、光源装置が大型化してしまう。 In order to increase the light output on the light source side, a method of condensing light emitted from a plurality of semiconductor laser chips can be considered. However, the semiconductor laser chip has a certain width, and there is a limit to closely disposing them. In other words, simply arranging a plurality of semiconductor laser chips would increase the size of the light source device.
かかる観点から、例えば下記特許文献1のように、第一の領域に半導体レーザチップ群を配置し、第一の領域とは別の第二の領域に別の半導体レーザチップ群を配置し、両半導体レーザチップ群から出射される光を、スリットミラーからなる光合成手段を用いて合成する技術が存在する。かかる方法により、単に同一箇所に複数の半導体レーザチップを並べた場合と比較して、配置面積を縮小しながらも光強度を高めることが可能となる。
From this point of view, for example, as in
ところで、光源側の光強度を高める方法として、半導体レーザチップを複数備えた光源モジュールを用いる方法が知られている。かかる構成によれば、半導体レーザチップの設置数に応じて、レーザ光を出射する領域(光出射領域:以下では「エミッタ」と称することがある。)が複数備えられる。本発明者は、このような光源モジュールを利用することで、光強度を高めることを検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。 By the way, as a method of increasing the light intensity on the light source side, a method of using a light source module provided with a plurality of semiconductor laser chips is known. According to this structure, a plurality of regions for emitting laser light (light emission regions: hereinafter, may be referred to as “emitters”) are provided according to the number of semiconductor laser chips installed. The present inventor has studied the use of such a light source module to increase the light intensity, and found that the following problems exist.
図1Aは、一つのエミッタを備えた半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。このような半導体レーザチップは、「シングルエミッタ型」と称されることがある。なお、図1Aには、エミッタから出射される光(レーザ光)の光線束についても、模式的に図示している。なお、本明細書では、単一のエミッタから出射される束状に形成された光線群を「光線束」と称し、エミッタの中心から出射される光線を「主光線」と称する。 FIG. 1A is a perspective view schematically showing the structure of a semiconductor laser chip having one emitter. Such a semiconductor laser chip is sometimes called a "single emitter type". It should be noted that FIG. 1A also schematically shows a light flux of light (laser light) emitted from the emitter. In the present specification, a bundle of rays emitted from a single emitter is referred to as a “ray bundle”, and a ray emitted from the center of the emitter is referred to as a “main ray”.
図1Aに示されるような、いわゆる「端面発光型」の半導体レーザチップ100の場合、エミッタ101から射出される光線束101Lは、楕円錐型を示すことが知られている。本明細書では、光軸(図1Aに示すZ方向)に直交する2方向(X方向及びY方向)のうち、光線束101Lの発散角が大きい方向(図1Aに示すY方向)を、「速軸方向」と呼び、光線束101Lの発散角が小さい方向(図1Aに示すX方向)を、「遅軸方向」と呼ぶ。なお、「速軸」は、「Fast軸」と呼ばれることがあり、同様に、「遅軸」は、「Slow軸」と呼ばれることがある。
In the case of a so-called “edge emitting type”
図1Bは、光線束101Lを、X方向から見た場合と、Y方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。図1Bに示すように、速軸方向については光線束101Lの発散角θyが大きく、遅軸方向については光線束101Lの発散角θxが小さい。
FIG. 1B is a diagram schematically showing the
なお、図1Bでは、エミッタ101の上端及び下端から出射される光線のみを描画しており、このような描画方法は、以下の図面においても適用される。また、以下の各図では、説明の都合上、光線束(光線束101Lなど)の発散角が実際よりも誇張して図示されている場合がある。
Note that in FIG. 1B, only the light rays emitted from the upper end and the lower end of the
半導体レーザチップ100を複数配置し、各半導体レーザチップ100から出射される光(光線束101L)を集光して利用する場合、光学部材のサイズを抑制する観点から、各光線束101Lを平行光化した後、レンズによって集光するのが一般的である。具体的には、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ(「コリメーションレンズ」とも称される。)を配置して、各光線束101Lの発散角を縮小することが行われる。
When a plurality of
図2Aは、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、YZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。
FIG. 2A is a drawing schematically showing a light beam traveling in the YZ plane direction when the
図2Aによれば、光線束101Lは、コリメートレンズ102を通過した後、速軸方向(Y方向)に関して実質的な平行光線束(以下、「略平行光線束」と称する。)となる。なお、本明細書において、「実質的な平行光線束」又は「略平行光線束」とは、発散角が4°未満である光線束を指す。なお、図2A以下の各図において、略平行光線束は完全な平行光線束として図示されている場合がある。
According to FIG. 2A, after passing through the
図2Bは、半導体レーザチップ100の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、XZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。図2Bによれば、光線束101Lは、コリメートレンズ102を通過した後、遅軸方向(X方向)に関しても略平行光線束となる。
FIG. 2B is a diagram schematically showing a light flux that travels in the XZ plane direction when the
図3Aは、図1Aに示す半導体レーザチップ100を複数備えた光源モジュールの構造を模式的に図示したものである。図3Aに示すように、光源モジュール120は、サブマウント121を備え、このサブマウント121の面の上層に、複数の半導体レーザチップ(100,110)を備えている。Z方向(光軸方向)から見ると、例えば、図3Bに示すように、各エミッタ(101,111)が隣接して配置されている。なお、図3Aでは、図示の都合上、各エミッタ(101,111)のX方向に係る離間が誇張して表示されている。
FIG. 3A schematically shows the structure of a light source module including a plurality of
図4は、図3Aに示す光源モジュール120が搭載する各エミッタ(101,111)から出射される光線束(101L,111L)を、図1Bにならって、X方向から見た場合と、Y方向から見た場合とに分けて模式的に図示したものである。なお、図4では、紙面の都合上、X方向から見た図については、エミッタ(101,111)のみを表示している。
FIG. 4 shows a bundle of light rays (101L, 111L) emitted from each of the emitters (101, 111) mounted on the
図3A及び図3Bに示すように、各半導体レーザチップ(100,110)は、エミッタ(101,111)の面がX方向に並ぶように配列される。すなわち、各エミッタ(101,111)は、Y方向については同一の座標位置に形成されるため、X方向から見た場合には、光線束(101L,111L)は完全に重なっている。一方、各エミッタ(101,111)は、X方向については異なる座標位置に形成されるため、Y方向から見たときに光線束(101L,111L)はそれぞれの位置がずれて表示される。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the semiconductor laser chips (100, 110) are arranged such that the faces of the emitters (101, 111) are arranged in the X direction. That is, since the emitters (101, 111) are formed at the same coordinate position in the Y direction, the ray bundles (101L, 111L) are completely overlapped when viewed from the X direction. On the other hand, since the emitters (101, 111) are formed at different coordinate positions in the X direction, the light fluxes (101L, 111L) are displayed in different positions when viewed from the Y direction.
図3Aに図示された光源モジュール120の後段に、図2A及び図2Bと同様にコリメートレンズ102を配置した場合における光線束の態様について検討する。図4を参照して上述したように、X方向から見たときに光線束(101L,111L)は完全に重なっている。このため、速軸方向(Y方向)に関しては、各光線束(101L,111L)は、コリメートレンズ102を通過した後、図2Aと同様に略平行光線束となる。
The mode of the light flux in the case where the
図5は、光源モジュール120の後段にコリメートレンズ102を配置した場合において、XZ平面方向に進行する光線束を、模式的に示した図面である。なお、紙面の都合上、光源モジュール120が備える各半導体レーザチップ(100,110)の大きさを一部縮小化して図示している。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a light beam bundle traveling in the XZ plane direction when the
上述したように、光源モジュール120は、複数の半導体レーザチップ(100,110)を備え、それぞれのエミッタ(101,111)は、X方向に離間して配置される。このため、コリメートレンズ102の中心位置におけるX座標と、各エミッタ(101,111)の中心位置におけるX座標には不可避的にずれが生じる。
As described above, the
この結果、エミッタ101から出射された光線束101L、及びエミッタ111から出射された光線束111Lのそれぞれは、コリメートレンズ102を通過後に略平行光線束となるものの、光線束101Lの主光線101Lmと、光線束111Lの主光線111Lmとは、非平行となる。つまり、光線束101Lと光線束111Lとは、それぞれX方向に係る進行方向(XZ平面上の進行方向)を異ならせてしまう。
As a result, each of the
かかる構成の場合、例えば、後に集光光学系を用いて各光線束(101L,111L)を集光したとしても、集光後の光線束群に拡がりが生じ、目的とする方向に導くことのできない光線が生じてしまう。この結果、光の利用効率が低下する。 In the case of such a configuration, for example, even if each of the light beam bundles (101L, 111L) is condensed by using the condensing optical system later, the light beam bundle group after the condensing spreads and is guided in the target direction. The light beam that cannot be generated will be generated. As a result, the utilization efficiency of light is reduced.
コリメートレンズ102を通過した後において、光線束101Lと光線束111LのXZ平面上における進行方向の、光軸(Z軸)に対する角度は、コリメートレンズ102の焦点距離に対する、エミッタ(101,111)間の距離の相対値によって決定される。より詳細には、コリメートレンズ102の光軸と、コリメートレンズ102の光軸から最も遠い各エミッタ(101,111)の位置との間の距離をd、コリメートレンズ102の焦点距離fとしたときに、光線束(101L,111L)のそれぞれの主光線(101Lm,111Lm)の進行方向とコリメートレンズ102の光軸とのなす角θは、θ= tan-1(d/f)で規定される。このとき、主光線101Lmと主光線111Lmのなす角度θxmは、上記θの2倍となる。
After passing through the
図5に示すように、主光線101Lと主光線111Lとは、コリメートレンズ102を通過後に、X方向に関して相互に近づくように進行し、その後は両者が離れる方向に進行する。この結果、図5の態様では、光軸方向(Z方向)に関して、z1の位置で光線束101Lと光線束111Lとが完全に分離する。
As shown in FIG. 5, the
逆にいえば、コリメートレンズ102の焦点距離に対して、エミッタ(101,111)間の距離が十分無視できる程度の大きさである場合には、X方向に関しても、光線束110Lの主光線101Lmと、光線束111Lの主光線111Lmとのなす角度は実質的に0°に近づき、各光線束(101L,111L)が分離するようなことは生じない。しかし、このためには、コリメートレンズ102を、十分長い焦点距離を有するレンズとする必要があり、光学系のサイズが拡大してしまう。
Conversely, when the distance between the emitters (101, 111) is sufficiently negligible with respect to the focal length of the
特に、光源モジュール120を複数配置して光源装置を構成する場合には、各光源モジュール120が備えるエミッタ(101,111)に対応してコリメートレンズ102を配置する必要があるため、装置規模が極めて大きくなってしまう。
In particular, when a plurality of
本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor laser light source device that uses a plurality of semiconductor laser chips and that enhances the optical output while suppressing the expansion of the device scale.
本発明に係る半導体レーザ光源装置は、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの面の上層に形成され、光出射領域を有する複数の半導体レーザチップと、
前記複数の半導体レーザチップが有する前記光出射領域から出射された光線束が入射されて、進行方向を変換して出射する屈折光学系とを備え、
少なくとも2つの前記半導体レーザチップは、各半導体レーザチップが有するそれぞれの前記光出射領域から出射される前記光線束の主光線同士が互いに非平行となるように、前記ヒートシンクの面に直交する第一方向から見て相互に傾斜して配置され、
前記屈折光学系は、前記第一方向と当該屈折光学系の光軸方向とによって形成される第一平面上における焦点である第一焦点と、前記光軸方向と前記第一方向とに直交する第二方向とによって形成される第二平面上における焦点である第二焦点とが、前記光軸方向に関して変位した光学系で構成されていることを特徴とする。
The semiconductor laser light source device according to the present invention,
Heatsink,
A plurality of semiconductor laser chips formed on the upper surface of the surface of the heat sink and having a light emitting region;
A light flux emitted from the light emission region of the plurality of semiconductor laser chips is incident, and a refraction optical system that changes the traveling direction and emits is provided,
The at least two semiconductor laser chips are orthogonal to the surface of the heat sink so that the chief rays of the light flux emitted from the light emission regions of the respective semiconductor laser chips are not parallel to each other. When viewed from the direction, they are arranged at an angle to each other,
The refracting optical system is orthogonal to the optical axis direction and the first direction, which is a focus on a first plane formed by the first direction and the optical axis direction of the refracting optical system. A second focal point, which is a focal point on a second plane formed by the second direction, is composed of an optical system displaced in the optical axis direction.
図5を参照して上述したように、半導体レーザチップを複数備えた半導体レーザ光源装置においては、遅軸方向に関して光出射領域(エミッタ)が離間して配置される。この結果、遅軸方向に関して光線束に広がりが生じてしまう。 As described above with reference to FIG. 5, in the semiconductor laser light source device including a plurality of semiconductor laser chips, the light emitting regions (emitters) are arranged apart from each other in the slow axis direction. As a result, the light beam spreads in the slow axis direction.
これに対し、上記の構成によれば、少なくとも2つの半導体レーザチップは、ヒートシンクの面上において、互いに傾斜して配置されている。より詳細には、少なくとも2つの半導体レーザチップは、各半導体レーザチップが有する光出射領域から出射される光線束の主光線同士が非平行となるように配置されている。 On the other hand, according to the above configuration, at least two semiconductor laser chips are arranged on the surface of the heat sink so as to be inclined with respect to each other. More specifically, the at least two semiconductor laser chips are arranged such that the principal rays of the bundle of rays emitted from the light emission region of each semiconductor laser chip are not parallel to each other.
まず、簡単のために、前記2つの半導体レーザチップが備える光出射領域から出射される光線束の主光線同士が、第二平面上を進行するに連れて相互に近づくように、2つの半導体レーザチップが傾斜して配置されている場合について説明する。この態様を、「第一の態様」と呼ぶ。この第一の態様の場合、各光出射領域から出射された光線束は、第二平面上を進行するに連れて、その離間距離が縮まる。 First, for the sake of simplicity, two semiconductor lasers are arranged so that the principal rays of the bundle of rays emitted from the light emitting regions of the two semiconductor laser chips come closer to each other as they travel on the second plane. A case where the chips are arranged at an inclination will be described. This aspect is called the "first aspect". In the case of the first aspect, the distance between the light fluxes emitted from the respective light emission regions decreases as they travel on the second plane.
ここで、本発明に係る半導体レーザ光源装置が備える屈折光学系は、第一平面上における焦点(第一焦点)と、第二平面上における焦点(第二焦点)とが、光軸方向に関して変位した光学系で構成される。例えば、光軸方向に関して光出射領域が存在する位置を第一焦点とし、それよりも光軸方向に関する前方の、各光出射領域から出射された光線束の主光線同士が交差する位置の近傍を第二焦点とすることができる。このとき、前記2つの光出射領域から出射して第二平面上を進行する光線束は、当該光出射領域の離間距離と比較して、屈折光学系の第二焦点の位置における離間距離の方が短くなる。屈折光学系を通過した後の光線束の発散角は、焦点の位置における光線束のビーム幅に依存するため、かかる構成によれば、第二平面上を進行する光線束の発散角を抑制する効果が得られる。これにより、従来よりも光線束の拡がりが抑制されるため、光の利用効率を維持しながら、後段に配置される集光光学系を小型化することができる。 Here, in the refractive optical system included in the semiconductor laser light source device according to the present invention, the focal point on the first plane (first focal point) and the focal point on the second plane (second focal point) are displaced in the optical axis direction. It is composed of the optical system. For example, the position where the light emitting area exists in the optical axis direction is the first focal point, and the vicinity of the position where the chief rays of the light fluxes emitted from the respective light emitting areas intersect with each other in front of the first focal point. It can be the second focus. At this time, the bundle of rays emitted from the two light emitting regions and traveling on the second plane has a distance larger than that of the light emitting regions at the position of the second focal point of the refractive optical system. Becomes shorter. Since the divergence angle of the ray bundle after passing through the refracting optical system depends on the beam width of the ray bundle at the focus position, such a configuration suppresses the divergence angle of the ray bundle traveling on the second plane. The effect is obtained. As a result, the spread of the light flux is suppressed more than in the conventional case, so that it is possible to downsize the condensing optical system arranged in the subsequent stage while maintaining the light utilization efficiency.
半導体レーザチップは、ヒートシンクの面上において、サブマウントを介して配置されているものとしても構わない。この場合において、1つのサブマウント上には、1つの半導体レーザチップを載置しても構わないし、複数の半導体レーザチップを載置しても構わない。 The semiconductor laser chip may be arranged on the surface of the heat sink via a submount. In this case, one semiconductor laser chip may be mounted on one submount, or a plurality of semiconductor laser chips may be mounted.
より詳細には、
隣接する前記半導体レーザチップが有する前記光出射領域から出射される前記主光線同士の、前記第二方向に係る間隔をd1とすると、
前記複数の半導体レーザチップは、前記光軸方向に関して、前記光出射領域から、前記屈折光学系よりも前記光出射領域側の特定位置までの間において、前記光軸方向に進行するに連れて前記間隔d1が小さくなるように、相互に傾斜して配置されているものとすることができる。
More specifically,
When the distance in the second direction between the chief rays emitted from the light emitting regions of the adjacent semiconductor laser chips is d1,
The plurality of semiconductor laser chips, in the optical axis direction, from the light emitting region to a specific position on the light emitting region side with respect to the refractive optical system, as the semiconductor laser chips progress in the optical axis direction. It may be arranged so as to be inclined with respect to each other so that the distance d1 becomes small.
このとき、前記第二焦点は、前記第一焦点よりも、前記光軸方向に関して前記屈折光学系に近い側に位置しているものとして構わない。 At this time, the second focus may be located closer to the refractive optical system than the first focus in the optical axis direction.
なお、上記で説明した構成とは逆に、前記2つの半導体レーザチップが備える光出射領域から出射される光線束の主光線同士が、第二平面上を進行するに連れて相互に離れるように、2つの半導体レーザチップが傾斜して配置されていても構わない。この態様を、「第二の態様」と呼ぶ。この場合、各光出射領域から出射された光線束は、第二平面上を進行するに連れて、その離間距離は広がることになる。 Contrary to the above-described configuration, the chief rays of the bundle of rays emitted from the light emitting regions of the two semiconductor laser chips are separated from each other as they travel on the second plane. The two semiconductor laser chips may be arranged to be inclined. This aspect is called the "second aspect". In this case, the separation distance of the light flux emitted from each light emission region widens as it travels on the second plane.
しかし、かかる構成であっても、仮想的に、各光出射領域から出射された光線束の主光線同士を進行方向とは逆向きに延長させたとき、これらの仮想的な主光線同士が交差する位置の近傍を第二焦点とし、光軸方向に関して光出射領域が存在する位置を第一焦点とすることで、上記と同様の効果が得られる。すなわち、この構成の場合であっても、前記2つの光出射領域から出射して第二平面上を進行する光線束は、光出射領域の離間距離と比較して、屈折光学系の第二焦点の位置における離間距離(ここでは、仮想光線束の離間距離に対応する。)の方が短くなる。上述したように、屈折光学系を通過した後の光線束の発散角は、焦点における光線束のビーム幅に依存するため、この第二の態様の場合であっても、第一の態様と同様に、第二平面上を進行する光線束の発散角を抑制する効果が得られる。 However, even with such a configuration, when the principal rays of the bundle of rays emitted from the respective light emission regions are virtually extended in the direction opposite to the traveling direction, these virtual principal rays intersect each other. The same effect as described above can be obtained by setting the vicinity of the position where the light is emitted as the second focus and setting the position where the light emitting region exists in the optical axis direction as the first focus. That is, even in the case of this configuration, the bundle of rays emitted from the two light emitting areas and traveling on the second plane is compared with the distance between the light emitting areas and the second focal point of the refractive optical system. The separation distance at this position (corresponding to the separation distance of the virtual ray bundle here) becomes shorter. As described above, since the divergence angle of the ray bundle after passing through the refractive optical system depends on the beam width of the ray bundle at the focal point, even in the case of this second aspect, the same as in the first aspect. In addition, the effect of suppressing the divergence angle of the light beam traveling on the second plane can be obtained.
より詳細には、隣接する前記半導体レーザチップが有する前記光出射領域から出射される前記主光線同士を、前記屈折光学系とは反対側の方向に仮想的に延長して得られる仮想主光線同士の、前記第二方向に係る間隔をd1とすると、
前記複数の半導体レーザチップは、前記光軸方向に関して、前記光出射領域とは反対側の位置に係る端面に対応する仮想光出射領域から特定位置までの間において、前記光軸方向とは反対方向に進行するに連れて前記間隔d1が小さくなるように、相互に傾斜して配置されているものとすることができる。
More specifically, virtual principal rays obtained by virtually extending the chief rays emitted from the light emitting regions of the adjacent semiconductor laser chips in a direction opposite to the refractive optical system. If the distance in the second direction is d1,
The plurality of semiconductor laser chips, in the optical axis direction, in a direction opposite to the optical axis direction from a virtual light emitting area corresponding to an end surface at a position opposite to the light emitting area to a specific position. The distance d1 may be smaller than the distance d1.
このとき、前記第二焦点は、前記第一焦点よりも、前記光軸方向に関して前記屈折光学系から離れる側に位置しているものとして構わない。 At this time, the second focus may be located on the side farther from the refractive optical system in the optical axis direction than the first focus.
前記屈折光学系は、前記第一焦点と前記第二焦点とが、前記光軸方向に関して変位した光学系である限りにおいて、具体的な構成は任意である。 The refracting optical system has any specific configuration as long as the first focus and the second focus are optical systems displaced in the optical axis direction.
一例として、
前記屈折光学系は、前記第一方向に係る焦点距離と、前記第二方向に係る焦点距離とが異なる、単一のレンズで構成されているものとしても構わない。このようなレンズとしては、アナモルフィックレンズなどを利用することができる。
As an example,
The refracting optical system may be configured by a single lens having a different focal length in the first direction and a different focal length in the second direction. An anamorphic lens or the like can be used as such a lens.
別の一例として、
前記屈折光学系は、
前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第一方向に係る発散角を縮小させる、前記第一焦点を焦点とした第一レンズと、
前記第一レンズの後段に配置され、前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第二焦点を焦点とする第二レンズとを有するものとしても構わない。
As another example,
The refraction optical system,
With respect to the light flux emitted from the light emission region, a divergence angle in the first direction is reduced, and a first lens having the first focus as a focus,
A second lens having a second focus as a focal point, which is disposed in the latter stage of the first lens and reduces the divergence angle in the second direction with respect to the light flux emitted from the light emission region. You may have it.
前記第一レンズは、FAC(Fast Axis Collimation)レンズとし、前記第二レンズは、SAC(Slow Axis Collimation)レンズとすることができる。 The first lens may be a FAC (Fast Axis Collimation) lens, and the second lens may be a SAC (Slow Axis Collimation) lens.
更に別の一例として、
前記屈折光学系は、
前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第一方向及び前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第一焦点を焦点とする第一レンズと、
前記第一レンズの後段に配置され、前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第二焦点を焦点とする第二レンズとを有するものとしても構わない。
As another example,
The refraction optical system,
With respect to the light flux emitted from the light emission region, reducing the divergence angle in the first direction and the second direction, a first lens having the first focus as a focus,
A second lens having a second focus as a focal point, which is disposed in the latter stage of the first lens and reduces the divergence angle in the second direction with respect to the light flux emitted from the light emission region. You may have it.
この場合において、前記第一レンズは、速軸及び遅軸の双方向をコリメートするコリメートレンズとし、前記第二レンズは遅軸方向のみを屈折させるシリンドリカルレンズとすることができる。 In this case, the first lens may be a collimator lens that collimates in both the fast axis and the slow axis, and the second lens may be a cylindrical lens that refracts only in the slow axis direction.
前記複数の半導体レーザチップは、直列に接続されているものとしても構わない。特に、半導体レーザ装置が、本発明に係る半導体レーザチップ(以下、ここでは「第一半導体レーザチップ」という。)と、これよりも駆動電圧が高く、別の波長帯の光を出射する半導体レーザチップ(以下、ここでは「第二半導体レーザチップ」という。)とを備える場合において、第一半導体レーザチップと第二半導体レーザチップの駆動電源を共通化できる点で有用である。 The plurality of semiconductor laser chips may be connected in series. In particular, the semiconductor laser device includes a semiconductor laser chip according to the present invention (hereinafter, referred to as “first semiconductor laser chip”) and a semiconductor laser having a higher driving voltage than that and emitting light in another wavelength band. In the case of including a chip (hereinafter, referred to as “second semiconductor laser chip”), it is useful in that the driving power source for the first semiconductor laser chip and the second semiconductor laser chip can be shared.
本発明によれば、複数の半導体レーザチップを用いて、装置規模の拡大を抑制しながら光出力を高めた半導体レーザ光源装置が実現される。 According to the present invention, by using a plurality of semiconductor laser chips, a semiconductor laser light source device in which the optical output is increased while suppressing the expansion of the device scale is realized.
本発明に係る半導体レーザ光源装置の各実施形態につき、適宜図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。また、各図面間においても、寸法比は必ずしも一致しない。 Each embodiment of the semiconductor laser light source device according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. It should be noted that each of the following drawings is a schematic illustration, and the actual dimensional ratio and the dimensional ratio in the drawings do not necessarily match. In addition, the dimensional ratios do not always match between the drawings.
[第一実施形態]
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第一実施形態について説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of a semiconductor laser light source device according to the present invention will be described.
図6は、半導体レーザ光源装置の第一実施形態の構成を模式的に示す図面である。また、図7は、半導体レーザ光源装置が備える半導体レーザチップの構成を模式的に示す図面である。 FIG. 6 is a drawing schematically showing the configuration of the first embodiment of the semiconductor laser light source device. Further, FIG. 7 is a drawing schematically showing a configuration of a semiconductor laser chip included in the semiconductor laser light source device.
半導体レーザ光源装置1は、半導体レーザチップ(10,20)と、屈折光学系30とを備える。各半導体レーザチップ(10,20)は、図7に図示されるように、同一のヒートシンク5上に形成されており、ケーシング部材6内に収容されている。そして、外部リード4から給電されることで、各半導体レーザチップ(10,20)が有する光出射領域(11,21)から光線束(12,22)が出射される。この光線束(12,22)は、例えば、ケーシング部材6に設けられた窓部材7を介して外部に取り出される。なお、本実施形態では、半導体レーザチップ10と、半導体レーザチップ20とが、相互に直列接続されている。
The semiconductor laser
なお、以下では、図6や図7などに図示されるXYZ座標系を適宜参照して説明される。すなわち、屈折光学系30の光軸30Aの方向を「Z方向」と規定する。また、各光出射領域(11,21)から出射される光線束(12,22)の速軸方向を「Y方向」と規定し、遅軸方向を「X方向」と規定する。このとき、Y方向が「第一方向」に対応し、X方向が「第二方向」に対応する。また、Y方向とZ方向とで規定されるYZ平面が「第一平面」に対応し、X方向とZ方向とで規定されるXZ平面が「第二平面」に対応する。図6及び図7では、いずれも、YZ平面上における構成及びXZ平面上における構成が上下段に分けて図示されている。なお、図7の上段は、X方向からケーシング部材6を見たときの状態が図示されているため、図7の下段に図示されている2本の外部リード4が、X方向に重なり合って表示されている。
Note that, in the following, description will be given with reference to the XYZ coordinate system illustrated in FIGS. That is, the direction of the
また、以下では、単に「X方向」、「Y方向」、又は「Z方向」と記載されている場合には、方向の正負を区別しないこととする。一方で、方向の正負を区別して記載する場合には、「+X方向」、「−X方向」などと表記される。 Further, in the following, when simply described as “X direction”, “Y direction”, or “Z direction”, the positive and negative directions are not distinguished. On the other hand, when the positive and negative directions are separately described, they are described as “+X direction”, “−X direction”, and the like.
図7に示されるように、半導体レーザチップ(10,20)は、ヒートシンク5の面上に形成されている。ここでは、ヒートシンク5の面が、XZ平面に平行である場合が図示されている。そして、半導体レーザチップ10と、半導体レーザチップ20とは、X方向に離間して配置されている。
As shown in FIG. 7, the semiconductor laser chip (10, 20) is formed on the surface of the
なお、図7には図示されていないが、半導体レーザチップ(10,20)は、ヒートシンク5の面上にサブマウントを介して載置されているものとしても構わない。ヒートシンク5は、半導体レーザチップ(10,20)の発光時に生じる熱を排熱する目的で設けられており、銅や銅合金などの熱伝導率の高い材料で構成されている。サブマウントは、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザチップ(10,20)に対する給電のための電気的な接続を形成すると共に、半導体レーザチップ(10,20)の発光時に生じる熱を、ヒートシンク5側に導く機能も有している。サブマウントは、放熱性、絶縁性、半導体レーザチップ(10,20)との線膨張係数差などに鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウントは、AlN、Al2O3、SiC、CuWなどの材料で構成される。
Although not shown in FIG. 7, the semiconductor laser chip (10, 20) may be mounted on the surface of the
更に、図7の下段に示されるように、半導体レーザチップ(10,20)は、Y方向から見たときに、相互に傾斜して配置されている。この点につき、図6に戻って説明を続ける。 Further, as shown in the lower part of FIG. 7, the semiconductor laser chips (10, 20) are arranged so as to be inclined with respect to each other when viewed from the Y direction. Regarding this point, returning to FIG. 6, the description will be continued.
図6において、上段の図は、半導体レーザチップ(10,20)が備える光出射領域(11,21)から出射された光線束(12,22)が、YZ平面に沿って進行する様子を模式的に示す図面である。また、図6の下段の図は、光線束(12,22)が、XZ平面に沿って進行する様子を模式的に示す図面である。すなわち、図6において、上段の図は、紙面上方向が光出射領域(11,21)の速軸方向に対応し、下段の図は、紙面上方向が光出射領域(11,21)の遅軸方向に対応する。 In FIG. 6, the upper diagram schematically shows how the light beam bundles (12, 22) emitted from the light emission regions (11, 21) of the semiconductor laser chip (10, 20) travel along the YZ plane. It is a drawing shown typically. Further, the lower diagram of FIG. 6 is a diagram schematically showing how the light flux (12, 22) travels along the XZ plane. That is, in FIG. 6, the upper part of the drawing corresponds to the fast axis direction of the light emitting regions (11, 21) in the upper direction of the drawing, and the lower part of the drawing illustrates the upper part of the drawing in the slow direction of the light emitting regions (11, 21). Corresponds to the axial direction.
なお、図6では、光線束(12,22)の主光線(12m,22m)を、便宜上一点鎖線で図示している。以下の図面においても共通である。 In FIG. 6, the principal rays (12 m, 22 m) of the light bundle (12, 22) are shown by a chain line for convenience. The same applies to the following drawings.
上述したように、半導体レーザチップ(10,20)は、光出射領域(11,21)から、楕円錐型の光線束(12,22)を出射する。図4を参照して上述したのと同様に、各光出射領域(11,21)は、Y方向については同一の座標位置に形成されるため、X方向から見たときに各光線束(12,22)は完全に重なっている(図6の上段参照)。また、上述したように、半導体レーザチップ(10,20)は、X方向に離間して配置されているため、各光出射領域(11,21)は、X方向については異なる座標位置に形成される。このため、Y方向から見たときに各光線束(12,22)はそれぞれの位置がずれて表示される(図6の下段参照)。 As described above, the semiconductor laser chip (10, 20) emits the elliptical cone-shaped light beam bundle (12, 22) from the light emitting region (11, 21). As described above with reference to FIG. 4, since the respective light emitting regions (11, 21) are formed at the same coordinate position in the Y direction, each light flux (12 , 22) completely overlap (see the upper part of FIG. 6). Further, as described above, since the semiconductor laser chips (10, 20) are arranged apart from each other in the X direction, the light emitting regions (11, 21) are formed at different coordinate positions in the X direction. It Therefore, when viewed from the Y direction, the light beam bundles (12, 22) are displayed with their respective positions displaced (see the lower part of FIG. 6).
ここで、本実施形態の半導体レーザ光源装置1が備える屈折光学系30は、YZ平面上における焦点距離と、XZ平面上における焦点距離が異なるレンズ31で構成される。このようなレンズ31としては、例えば、アナモルフィックレンズなどを利用することができる。
Here, the refraction
より詳細には、レンズ31は、YZ平面上における焦点30yfとレンズ31の中心位置とのZ方向に係る焦点距離と、XZ平面上における焦点30xfとレンズ31の中心位置とのZ方向に係る焦点距離とが異なる。焦点30yfが「第一焦点」に対応し、焦点30xfが「第二焦点」に対応する。このとき、焦点30yfと焦点30xfとは、Z方向に関して変位している。本実施形態の構成では、焦点30xfは、Z方向に関して焦点30yfよりも距離dzだけレンズ31側に位置している。
More specifically, the
レンズ31は、YZ平面上に進行する光線束(12,22)に対しては、図2Aを参照して上述した、コリメートレンズ102と同様の機能を有する。図4を参照して上述したのと同様の理由により、半導体レーザチップ(10,20)から出射される光線束(12,22)は、速軸方向に関して大きい発散角θyを有して進行する。すなわち、仮にレンズ31が存在しない場合、光線束(12,22)は、Y方向に拡がりながら、YZ平面上を進行する。レンズ31は、光線束(12,22)のY方向への拡がりを抑制する目的で設けられている。より好ましくは、レンズ31は、YZ平面上をZ方向に進行する光線束(12,22)を、略平行光線束(13,23)に変換する。このため、レンズ31は、YZ平面上における焦点30yfが、半導体レーザチップ(10,20)の光出射領域(11,21)の位置の近傍となるように配置される。
The
なお、ここでいう「光出射領域(11,21)の位置の近傍」とは、Z座標が、光出射領域(11,21)のZ座標(以下、便宜上「座標Z0」という。)と完全に一致する場合の他、座標Z0と、レンズ31のZ座標とのZ方向に係る離間距離をzcとしたときに、座標Z0に対して前記離間距離zcの10%以内の長さだけZ方向に前後に変位した領域を含む。
The “near the position of the light emitting area (11, 21)” here means that the Z coordinate is completely the same as the Z coordinate of the light emitting area (11, 21) (hereinafter, referred to as “coordinate Z0” for convenience). When the distance Z between the coordinate Z0 and the Z coordinate of the
一方で、上述したように、半導体レーザチップ(10,20)は、XZ平面上においては、互いに傾斜した状態で配置されている。本実施形態の場合には、半導体レーザチップ10が備える光出射領域11から出射される光線束12の主光線12mと、半導体レーザチップ20が備える光出射領域21から出射される光線束22の主光線22mとが、Z方向に進行するに伴ってX方向に関して徐々に近づくように、半導体レーザチップ(10,20)が傾斜して配置されている。
On the other hand, as described above, the semiconductor laser chips (10, 20) are arranged in a mutually inclined state on the XZ plane. In the case of the present embodiment, the
より詳細には、図8に拡大して図示されるように、半導体レーザチップ10は、光出射領域11の端面をX方向に平行に配置した状態から、XZ平面上で時計回りに角度θ11だけ回転させた状態で配置される。一方、半導体レーザチップ20は、光出射領域21の端面をX方向に平行に配置した状態から、XZ平面上で反時計回りに角度θ12だけ回転させた状態で配置される。なお図示の都合上、図8では、図6とは異なり、光線束(12,22)については主光線(12m,22m)のみが代表して図示されている。
More specifically, as shown in an enlarged view in FIG. 8, the
光出射領域11と光出射領域21とは、端面においてX方向に関して距離d0だけ離間しているため、各主光線(12m,22m)についても、端面近傍においては距離d0だけ離間した状態でXZ平面上を進行する。しかし、上述したように、各半導体レーザチップ(10,20)が相互に傾斜して配置されているため、主光線12mと主光線22mとは、互いにX方向に係る間隔d1を近づけながら、XZ平面上を進行する。このことは、光出射領域11から出射される光線束12と、光出射領域21から出射される光線束22とが、X方向に関して互いに近づきながら、XZ平面上を進行することを意味する(図6の下段参照)。
Since the
このとき、図8に模式的に示すように、ある特定位置40において、主光線12mと主光線22mとが、XZ平面上で交差する。この特定位置40は、光線束12と光線束22とがX方向に関して最も近接した位置に対応する。よって、レンズ31のXZ平面上における焦点30xfをこの特定位置40の近傍にすることで、レンズ31に入射される光線束(12,22)は、あたかも特定位置40近傍に存在する、ビーム径の小さい仮想光源から出射された光線束とみなすことができる。この結果、レンズ31によって、XZ平面上を進行する光線束(12,22)についても略平行光線束(13,23)に変換することができる。
At this time, as schematically shown in FIG. 8, at a
なお、ここでいう「特定位置40の近傍」とは、Z座標が、特定位置40のZ座標(以下、便宜上「座標Z40」いう。)と完全に一致する場合の他、光出射領域(11,21)のZ座標(上記「座標Z1」に対応)と座標Z40とのZ方向の変位量をzaとしたときに、座標Z40に対して変位量zaの25%以内の長さだけZ方向に前後に変位した領域を含む。
The term "near the
なお、レンズ31のXZ平面上における焦点30xfは、特定位置40の位置の近傍であるのが好ましいが、X方向に係る光線束(12,22)の間隔d1が光出射領域(11,21)の間隔d0よりも短くなる位置であれば、特定位置40の位置の近傍からZ方向に離れた位置であっても構わない。
Note that the focal point 30xf of the
[検証]
本実施形態の半導体レーザ光源装置1によれば、レンズ31を出射した後の光線束(13,23)の遅軸方向(X方向)に係る拡がりが抑制される点につき、シミュレーション結果に基づいて説明する。シミュレーションの条件は以下の通りである。
[Verification]
According to the semiconductor laser
(比較例1)
図5に示したように、XZ平面上において各光出射領域(101,111)が平行に配置された半導体レーザチップ(100,110)と、速軸方向に係る焦点距離Ffと遅軸方向に係る焦点距離Fsとが共に同一(4mm)のコリメートレンズ102とを備える半導体レーザ光源装置を、比較例1の構成とした。
(Comparative Example 1)
As shown in FIG. 5, the semiconductor laser chip (100, 110) in which the respective light emission regions (101, 111) are arranged in parallel on the XZ plane, and the focal length Ff in the fast axis direction and the slow axis direction. The semiconductor laser light source device including the
なお、光出射領域101の中心位置と光出射領域111の中心位置の、X方向に係る間隔d0の長さを112.5μmとした。また、光出射領域101及び光出射領域111の、XY平面上における形状を、X方向に係る長さが75μm、Y方向に係る長さが1μmの矩形状とした。
The length of the distance d0 in the X direction between the center position of the
また、光出射領域(101,111)から出射される光線束(101L,111L)の、速軸方向(Y方向)に係る発散角を33°とし、遅軸方向(X方向)に係る発散角を12°とした。 Further, the divergence angle of the light beam bundles (101L, 111L) emitted from the light emission regions (101, 111) in the fast axis direction (Y direction) is 33°, and the divergence angle in the slow axis direction (X direction). Was 12°.
(比較例2)
図8に示す角度θ11及び角度θ12を共に15°とし、XZ平面上において各光出射領域(11,21)が相互に30°傾斜するように配置された半導体レーザチップ(10,20)と、速軸方向に係る焦点距離Ffと遅軸方向に係る焦点距離Fsとが共に同一(4mm)のコリメートレンズ102とを備える半導体レーザ光源装置を、比較例2の構成とした。光出射領域11の中心位置と光出射領域21の中心位置のX方向に係る間隔d0の長さ、光出射領域11及び光出射領域21のXY平面上における形状については、比較例1と共通とした。また、各光出射領域(11,21)から出射される光線束(12,22)の速軸方向及び遅軸方向の発散角についても、比較例1における光線束(101L,111L)と共通とした。
(Comparative example 2)
The angle θ 11 and the angle θ 12 shown in FIG. 8 are both 15°, and the semiconductor laser chips (10, 20) are arranged such that the light emitting regions (11, 21) are inclined at 30° to each other on the XZ plane. The semiconductor laser light source device including the
(実施例1)
図8に示す角度θ11及び角度θ12を共に15°とし、XZ平面上において各光出射領域(11,21)が相互に30°傾斜するように配置された半導体レーザチップ(10,20)と、速軸方向に係る焦点距離Ffが4mmで遅軸方向に係る焦点距離Fsが3.9mmのレンズ31とを備える半導体レーザ光源装置1を、実施例1の構成とした。光出射領域11の中心位置と光出射領域21の中心位置の、X方向に係る間隔d0の長さ、及び光出射領域11及び光出射領域21の、XY平面上における形状については、比較例1及び2と共通とした。また、各光出射領域(11,21)から出射される光線束(12,22)の速軸方向及び遅軸方向の発散角についても、比較例1と共通とした。
(Example 1)
The angle θ 11 and the angle θ 12 shown in FIG. 8 are both 15°, and the semiconductor laser chips (10, 20) are arranged such that the light emitting regions (11, 21) are inclined at 30° to each other on the XZ plane. And a
(実施例2〜7)
遅軸方向に係る焦点距離Fsを異ならせた点を除き、実施例1と共通とした。具体的には、以下の通りである。
・実施例2: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.8mmとした。
・実施例3: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.7mmとした。
・実施例4: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.6mmとした。
・実施例5: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.5mmとした。
・実施例6: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.4mmとした。
・実施例7: レンズ31の速軸方向に係る焦点距離Ffを4mmとし、遅軸方向に係る焦点距離Fsを3.3mmとした。
(Examples 2 to 7)
It is common to the first embodiment except that the focal length Fs in the slow axis direction is different. Specifically, it is as follows.
Example 2 The focal length Ff of the
Example 3 The focal length Ff of the
Example 4 The focal length Ff of the
Example 5: The focal length Ff of the
Example 6 The focal length Ff of the
Example 7: The focal length Ff of the
比較例1〜2、及び実施例1〜7の各半導体レーザ光源装置において、コリメートレンズ102又はレンズ31から出射される光線束群の角度別の光強度を、速軸方向(Y方向)及び遅軸方向(X方向)のそれぞれについてシミュレーションにより算出した。この結果を図9A〜図9Iに示す。各図において、横軸は角度であり、縦軸は光強度の相対値である。また、各図において、「fast」は速軸方向(Y方向)への発散角に対応し、「slow」は遅軸方向(X方向)への発散角に対応する。
In each of the semiconductor laser light source devices of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 7, the light intensity for each angle of the bundle of light beams emitted from the
また、図9Jは、比較例2及び実施例1〜7の結果をプロットしてまとめたグラフである。図9Jにおいて、横軸はレンズ31の遅軸方向に係る焦点距離Fsであり、縦軸は遅軸方向に係る光線束群の角度強度分布の半値半幅(HWHM:half width at half maximum)の値である。なお、図9Jには、比較のために、比較例1における前記半値半幅の値についても、横軸に平行な破線にて表示している。その他のプロットは、横軸Fsが右側から順に実施例1〜7、すなわちFsが3.9mm〜3.3mmの場合に相当する。
FIG. 9J is a graph in which the results of Comparative Example 2 and Examples 1 to 7 are plotted and summarized. In FIG. 9J, the horizontal axis is the focal length Fs in the slow axis direction of the
図9Aに示すように、従来構成の半導体レーザ光源装置(比較例1)の場合、コリメートレンズ102を出射した後の光線束群は、遅軸方向に関して2つの光線束として分離していることが分かる。そして、光強度が半値を示す領域(半値全幅)によれば、2つの光線束群は遅軸方向に関して約4.4°の発散角を有していることが分かる。このときの半値半幅(HWHM)値は、約2.2°である。
As shown in FIG. 9A, in the case of the semiconductor laser light source device of the conventional configuration (Comparative Example 1), the bundle of rays after being emitted from the
図9Bに示すように、比較例1の半導体レーザチップ(100,110)に代えて、XZ平面上において相互に傾斜させた半導体レーザチップ(10,20)を備えた比較例2の場合も、比較例1と同様に、コリメートレンズ102を出射した後の光線束群は、遅軸方向に関して2つの光線束として分離していることが分かる。なお、この光線束群の、遅軸方向に関する発散角は、比較例1よりも大きい約4.7°を示している。このときの半値半幅(HWHM)値は、約2.4°である。
As shown in FIG. 9B, in the case of Comparative Example 2 including the semiconductor laser chips (100, 110) of Comparative Example 1 instead of the semiconductor laser chips (100, 110) tilted on the XZ plane, As with Comparative Example 1, it can be seen that the bundle of rays after exiting the
図9Cに示すように、比較例2のコリメートレンズ102に代えて、遅軸方向の焦点距離Fsを速軸方向の焦点距離Ff(4.0mm)よりも短い3.9mmとしたレンズ31を備えた実施例1の場合も、比較例1及び比較例2と同様に、レンズ31を出射した後の光線束群は、遅軸方向に関して2つの光線束(13,23)として分離していることが分かる。ただし、光強度が半値を示す領域(半値全幅)によれば、実施例1では、2つの光線束群は遅軸方向に関して約4.2°の発散角を有していることが分かる。この結果により、比較例1及び比較例2と比べて、実施例1では、遅軸方向に関する発散角が抑制できていることが示される。なお、このときの半値半幅(HWHM)値は、約2.1°である。
As shown in FIG. 9C, a
図9D〜図9Gに示すように、遅軸方向の焦点距離Fsを実施例1よりも順次短くしていくと(実施例2〜5)、これに伴って遅軸方向に関する強度分布の半値幅が更に減少していることが分かる。このことは、レンズ31を出射した後の光線束群の、遅軸方向に関する発散角が、更に抑制できていることを示すものである。なお、実施例3〜5の結果によれば、レンズ31を出射した後の光線束群は、遅軸方向に関して重なり合っていることが分かる。
As shown in FIGS. 9D to 9G, when the focal length Fs in the slow axis direction is made shorter than that in the first embodiment (Examples 2 to 5), the half-width of the intensity distribution in the slow axis direction is accompanied by this. It can be seen that is further reduced. This shows that the divergence angle in the slow axis direction of the bundle of rays after exiting the
なお、実施例5から更に遅軸方向の焦点距離Fsを小さくすると(実施例6,実施例7)、遅軸方向に関する強度分布の半値幅が上昇傾向を示すことが確認される(図9H〜図9J参照)。ただし、実施例6において遅軸方向に関する光強度の半値全幅は約2.0°(半値半幅は約1.0°)であり、実施例7において遅軸方向に関する半値全幅は約3.2°(半値半幅は約1.6°)である。すなわち、実施例6及び7においても、比較例1及び比較例2よりは、遅軸方向に関する光強度の半値幅が小さい値を示しており、遅軸方向に関する光線束群の発散角が抑制されていることが分かる。 It is confirmed that when the focal length Fs in the slow axis direction is further reduced from that in Example 5 (Examples 6 and 7), the full width at half maximum of the intensity distribution in the slow axis direction tends to increase (FIG. 9H-. See FIG. 9J). However, in Example 6, the full width at half maximum of the light intensity in the slow axis direction is about 2.0° (half width at half maximum is about 1.0°), and in Example 7, the full width at half maximum in the slow axis direction is about 3.2°. (Half width at half maximum is about 1.6°). That is, also in Examples 6 and 7, the half value width of the light intensity in the slow axis direction was smaller than that in Comparative Examples 1 and 2, and the divergence angle of the ray bundle group in the slow axis direction was suppressed. I understand that.
実施例6及び7の状態は、図8に示したように、主光線12mと主光線22mとが、XZ平面上で交差する点である特定位置40よりも、Z方向(光軸30Aの方向)に関してレンズ31に近い位置に、レンズ31のXZ平面上における焦点30xfを位置させたことを意味する。つまり、この位置では、主光線(12m,22m)同士の間隔d1は、特定位置40よりは広がっているものの、光出射領域(11,21)の端面における間隔d0よりは近づいている。このため、比較例1よりも遅軸方向(X方向)に係る光線束(13,23)の拡がりが抑制されたものと結論付けられる。
As shown in FIG. 8, the states of Examples 6 and 7 are in the Z direction (direction of the
[第二実施形態]
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第二実施形態について、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
[Second embodiment]
The second embodiment of the semiconductor laser light source device according to the present invention will be described focusing on the points different from the first embodiment.
第一実施形態で上述したように、屈折光学系30は、YZ平面上における焦点距離と、XZ平面上における焦点距離が異なる光学系である。第一実施形態では、屈折光学系30を1枚のレンズ31で構成していたが、本実施形態では、屈折光学系30が複数枚のレンズで構成される点が異なる。なお、他の構成については、第一実施形態と共通である。
As described above in the first embodiment, the refractive
より詳細には、図10に示すように、本実施形態の半導体レーザ光源装置1において、屈折光学系30は、第一レンズ32と第二レンズ33とを備える。
More specifically, as shown in FIG. 10, in the semiconductor laser
第一レンズ32は、Z方向に進行する光線束(12,22)に対して、Y方向(速軸方向)への発散を抑制する機能のみを有し、X方向(遅軸方向)への拡散を抑制する機能を有しないレンズであり、FAC(Fast Axis Collimation)レンズという名称で呼ばれる場合がある。一方、第二レンズ33は、Z方向に進行する光線束(12,22)に対して、X方向(遅軸方向)への拡散を抑制する機能のみを有し、Y方向(速軸方向)への拡散を抑制する機能を有しないレンズであり、SAC(Slow Axis Collimation)レンズという名称で呼ばれる場合がある。
The
第一レンズ32は、第一実施形態のレンズ31と同様に、YZ平面上における焦点30yfが、半導体レーザチップ(10,20)の光出射領域(11,21)の位置の近傍となるように配置される。また、第二レンズ33は、第一実施形態のレンズ31と同様に、XZ平面上における焦点30xfが、主光線12mと主光線22mとが交差する特定位置40の近傍となるように配置される。
Similar to the
第一レンズ32は、YZ平面上を進行する光線束(12,22)に対しては、第一実施形態で上述したレンズ31と同様の機能を奏する。一方、第二レンズ33は、YZ平面上に進行する光線束(12,22)に対しては、光線束を屈折させる機能を有さず、入射された光線束をそのまま透過させる。この結果、図10の上段に示すように、各光出射領域(11,21)から出射されて、YZ平面上を進行する光線束(12,22)は、第一レンズ32及び第二レンズ33を通過した後、第一実施形態と同様に、略平行光線束(13,23)に変換される。
The
第一レンズ32は、XZ平面上に進行する光線束(12,22)に対しては、光線束を屈折させる機能を有さず、入射された光線束をそのまま透過させる。一方、第二レンズ33は、XZ平面上を進行する光線束(12,22)に対しては、第一実施形態で上述したレンズ31と同様の機能を奏する。この結果、図10の下段に示すように、各光出射領域(11,21)から出射されて、XZ平面上を進行する光線束(12,22)は、第一レンズ32をそのまま通過した後、第二レンズ33に入射されると、屈折する。ここで、第一実施形態と同様に、第二レンズ33は、XZ平面上の焦点30xfが主光線12mと主光線22mとが交差する特定位置40の近傍となるように配置されているため、第二レンズ33を通過した後の光線束(13,23)は、それぞれの主光線(13m,23m)がXZ平面上において略平行となる。この結果、第一実施形態と同様に、第二レンズ33を通過した後の光線束(13,23)は、XZ平面上においても略平行光線束となる。
The
よって、本実施形態の半導体レーザ光源装置1においても、第一実施形態と同様の理由により、遅軸方向(X方向)への発散角が抑制された光線束(13,23)を得ることができる。
Therefore, also in the semiconductor laser
[第三実施形態]
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第二実施形態について、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
[Third embodiment]
The second embodiment of the semiconductor laser light source device according to the present invention will be described focusing on the points different from the first embodiment.
第一実施形態で上述したように、屈折光学系30は、YZ平面上における焦点距離と、XZ平面上における焦点距離が異なる光学系である。第一実施形態では、屈折光学系30を1枚のレンズ31で構成していたが、本実施形態では、第二実施形態と同様に、屈折光学系30が複数枚のレンズで構成される点が異なる。なお、他の構成については、第一実施形態と共通である。
As described above in the first embodiment, the refractive
より詳細には、図11に示すように、本実施形態の半導体レーザ光源装置1において、屈折光学系30は、第一レンズ34と第二レンズ35とを備える。
More specifically, as shown in FIG. 11, in the semiconductor laser
第一レンズ34は、図2A及び図2Bを参照して上述したコリメートレンズ102と同様、Z方向に進行する光線束(12,22)に対して、Y方向(速軸方向)及びX方向(遅軸方向)への拡散を抑制する機能を示すレンズである。また、第二レンズ35は、Z方向に進行する光線束(12,22)に対して、X方向(遅軸方向)への拡散を抑制する機能のみを有し、Y方向(速軸方向)への拡散を抑制する機能を有しないレンズであり、シリンドリカルレンズで構成される。なお、第二実施形態で上述した、SACレンズを用いることができる。
The
第一レンズ34は、第一実施形態のレンズ31と同様に、YZ平面上における焦点30yfが、半導体レーザチップ(10,20)の光出射領域(11,21)の位置の近傍となるように配置される。なお、第一レンズ34は、通常のコリメートレンズであるため、Y方向の焦点距離とX方向の焦点距離とが同じである。このため、図示しないが、第一レンズ34は、XZ平面上における焦点についても、半導体レーザチップ(10,20)の光出射領域(11,21)の位置の近傍となる。
Like the
一方、第二レンズ35は、XZ平面上における焦点を、第一レンズ34と異ならせることで、第一レンズ34のXZ平面上の焦点を事実上、Z方向に変位させる機能を示す。すなわち、第二レンズ35は、第一レンズ34との合成光学系(屈折光学系30)のXZ平面上の焦点30xfが、主光線12mと主光線22mとが交差する特定位置40の近傍となるように、焦点が調整される。
On the other hand, the
第一レンズ34は、YZ平面上を進行する光線束(12,22)に対しては、第一実施形態で上述したレンズ31と同様の機能を奏する。一方、第二レンズ33は、YZ平面上に進行する光線束(12,22)に対しては、光線束を屈折させる機能を有さず、入射された光線束をそのまま透過させる。この結果、図11の上段に示すように、各光出射領域(11,21)から出射されて、YZ平面上を進行する光線束(12,22)は、第一レンズ32及び第二レンズ33を通過した後、第一実施形態と同様に、略平行光線束(13,23)に変換される。
The
第一レンズ34は、XZ平面上に進行する光線束(12,22)に対しても、屈折させる機能を示す。このため、光線束(12,22)は、XZ平面上を進行して第一レンズ34を通過すると、屈折した後に第二レンズ35に入射される。ここで、上述したように、第二レンズ35は、第一レンズ34との合成光学系において、XZ平面上の焦点30xfが特定位置40の近傍となるように設置されている。このため、光線束(12,22)は、XZ平面上を進行して第二レンズ35を通過すると、第一実施形態と同様の理由により、略平行光線束(13,23)に変換される。
The
よって、本実施形態の半導体レーザ光源装置1においても、第一実施形態と同様の理由により、遅軸方向(X方向)への発散角が抑制された光線束(13,23)を得ることができる。
Therefore, also in the semiconductor laser
[別実施形態]
以下、別実施形態につき説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉上記実施形態では、半導体レーザチップ10が備える光出射領域11から出射される光線束12の主光線12mと、半導体レーザチップ20が備える光出射領域21から出射される光線束22の主光線22mとが、Z方向に進行するに伴ってX方向に関して徐々に近づくように、半導体レーザチップ(10,20)が傾斜して配置されている場合について説明した。しかし、図12に示すように、主光線12mと主光線22mとが、Z方向に進行するに伴ってX方向(遅軸方向)に離れるように、半導体レーザチップ(10,20)が傾斜して配置されているものとしても構わない。
<1> In the above embodiment, the
この構成の場合、各主光線(12m,22m)を、光出射領域(11,21)とは反対側(−Z方向)に仮想的に延長させると、光出射領域(11,21)とは反対側の端面(11a,12a)から仮想的に出射される光線束の主光線(12ma,22ma)同士が交差する位置が存在する。この交差位置を上記特定位置40とし、この特定位置40の近傍に、レンズ31のXZ平面上における焦点30xfを位置させるものとしても構わない。
In the case of this configuration, when each principal ray (12 m, 22 m) is virtually extended to the opposite side (−Z direction) to the light emitting area (11, 21), the light emitting area (11, 21) is There is a position where the principal rays (12 ma, 22 ma) of the bundle of rays virtually emitted from the opposite end faces (11 a, 12 a) intersect. The intersecting position may be the
かかる構成であっても、第一実施形態と同様に、XZ平面上を進行してレンズ31に入射される光線束(12,22)は、あたかも特定位置40近傍に存在するビーム径の小さい仮想光源から出射された光線束とみなすことができる。この結果、レンズ31によって、XZ平面上を進行する光線束(12,22)についても略平行光線束(13,23)に変換することができる。
Even with such a configuration, as in the first embodiment, the bundle of rays (12, 22) that travels on the XZ plane and is incident on the
なお、図12では、屈折光学系30が第一実施形態で上述したレンズ31で構成される場合を図示しているが、第二実施形態、第三実施形態の構成を採用することも可能である。
Note that FIG. 12 illustrates the case where the refractive
〈2〉第二実施形態及び第三実施形態では、屈折光学系30が、2枚のレンズを有する場合について説明した。しかし、本発明は、屈折光学系30が3枚以上のレンズを有する場合を排除しない。
<2> In the second embodiment and the third embodiment, the case where the refractive
〈3〉上記各実施形態では、同一のヒートシンク5上に搭載されている2つの半導体レーザチップ(10,20)は、それぞれが直列に接続されており、外部リード4を通じて給電されるものとして説明した。しかし、本発明は、同一のヒートシンク5上に搭載されている2つの半導体レーザチップ(10,20)が互いに並列接続されている場合を排除しない。
<3> In each of the above embodiments, the two semiconductor laser chips (10, 20) mounted on the
〈4〉上記各実施形態では、半導体レーザ光源装置1が、同一のヒートシンク5上に2つの半導体レーザチップ(10,20)が搭載されている場合を例示して説明した。しかし、本発明に係る半導体レーザ光源装置1は、同一のヒートシンク5上に3つ以上の半導体レーザチップを備えていても構わない。この場合において、少なくとも2つの半導体レーザチップが有する光出射領域から出射される主光線同士が非平行となるように配置されていればよく、隣接する2つの光出射領域から出射される主光線同士が非平行となるように配置されているのが好ましい。更に、隣接する全ての光出射領域から出射される主光線同士が互いに非平行となるように配置されているのが特に好ましい。
<4> In each of the above embodiments, the semiconductor laser
〈5〉上記各実施形態では、各半導体レーザチップ(10,20)が、それぞれ1つの光出射領域(11,21)を備える場合について説明した。しかし、各半導体レーザチップ(10,20)がそれぞれ複数の光出射領域を備える構成(マルチエミッタ型)であっても構わない。 <5> In each of the above embodiments, the case where each semiconductor laser chip (10, 20) includes one light emitting region (11, 21) has been described. However, each semiconductor laser chip (10, 20) may be configured to have a plurality of light emission regions (multi-emitter type).
〈6〉各実施形態で説明した屈折光学系30は、ケーシング部材6の内側に収容されていても構わないし、窓部材7を兼用していていも構わないし、ケーシング部材6の外側に配置されていても構わない。
<6> The refracting
1 : 半導体レーザ光源装置
4 : 外部リード
5 : ヒートシンク
6 : ケーシング部材
7 : 窓部材
10 : 半導体レーザチップ
11 : 光出射領域
12 : 光線束
20 : 半導体レーザチップ
21 : 光出射領域
22 : 光線束
30 : 屈折光学系
30A : 屈折光学系の光軸
30xf : 屈折光学系の第二焦点
30yf : 屈折光学系の第一焦点
31 : レンズ
32 : 第一レンズ
33 : 第二レンズ
34 : 第一レンズ
35 : 第二レンズ
40 : 特定位置
100 : 半導体レーザチップ
101 : 光出射領域(エミッタ)
101L : エミッタから出射される光線束
102 : コリメートレンズ
120 : 光源モジュール
121 : サブマウント
θy : 速軸方向の発散角
θx : 遅軸方向の発散角
1: Semiconductor laser light source device 4: External lead 5: Heat sink 6: Casing member 7: Window member 10: Semiconductor laser chip 11: Light emission area 12: Light flux 20: Semiconductor laser chip 21: Light emission area 22: Light flux 30 : Refractive
101L: Ray bundle emitted from the emitter 102: Collimating lens 120: Light source module 121: Submount θ y : Divergence angle in the fast axis direction θ x : Divergence angle in the slow axis direction
Claims (9)
前記ヒートシンクの面の上層に形成され、光出射領域を有する複数の半導体レーザチップと、
前記複数の半導体レーザチップが有する前記光出射領域から出射された光線束が入射されて、進行方向を変換して出射する屈折光学系とを備え、
少なくとも2つの前記半導体レーザチップは、各半導体レーザチップが有するそれぞれの前記光出射領域から出射される前記光線束の主光線同士が互いに非平行となるように、前記ヒートシンクの面に直交する第一方向から見て相互に傾斜して配置され、
前記屈折光学系は、前記第一方向と当該屈折光学系の光軸方向とによって形成される第一平面上における焦点である第一焦点と、前記光軸方向と前記第一方向とに直交する第二方向とによって形成される第二平面上における焦点である第二焦点とが、前記光軸方向に関して変位した光学系で構成されていることを特徴とする、半導体レーザ光源装置。 Heatsink,
A plurality of semiconductor laser chips formed on the upper surface of the surface of the heat sink and having a light emitting region;
A light flux emitted from the light emission region of the plurality of semiconductor laser chips is incident, and a refraction optical system that changes the traveling direction and emits is provided,
The at least two semiconductor laser chips are orthogonal to the surface of the heat sink so that the chief rays of the light flux emitted from the light emission regions of the respective semiconductor laser chips are not parallel to each other. When viewed from the direction, they are arranged at an angle to each other,
The refracting optical system is orthogonal to the optical axis direction and the first direction, which is a focus on a first plane formed by the first direction and the optical axis direction of the refracting optical system. A semiconductor laser light source device, wherein a second focal point, which is a focal point on a second plane formed by the second direction, is composed of an optical system displaced in the optical axis direction.
前記複数の半導体レーザチップは、前記光軸方向に関して、前記光出射領域から、前記屈折光学系よりも前記光出射領域側の特定位置までの間において、前記光軸方向に進行するに連れて前記間隔d1が小さくなるように、相互に傾斜して配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。 When the distance in the second direction between the chief rays emitted from the light emitting regions of the adjacent semiconductor laser chips is d1,
The plurality of semiconductor laser chips, in the optical axis direction, from the light emitting region to a specific position on the light emitting region side with respect to the refractive optical system, as the semiconductor laser chips progress in the optical axis direction. The semiconductor laser light source device according to claim 1, wherein the semiconductor laser light source devices are arranged so as to be inclined with respect to each other so that the distance d1 becomes small.
前記複数の半導体レーザチップは、前記光軸方向に関して、前記光出射領域とは反対側の位置に係る端面に対応する仮想光出射領域から特定位置までの間において、前記光軸方向とは反対方向に進行するに連れて前記間隔d1が小さくなるように、相互に傾斜して配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。 The second principal rays obtained by virtually extending the principal rays emitted from the light emitting regions of the adjacent semiconductor laser chips in the direction opposite to the refractive optical system, If the distance related to the direction is d1,
The plurality of semiconductor laser chips, in the optical axis direction, in a direction opposite to the optical axis direction from a virtual light emitting area corresponding to an end surface at a position opposite to the light emitting area to a specific position. 2. The semiconductor laser light source device according to claim 1, wherein the semiconductor laser light source devices are arranged so as to be inclined with respect to each other so that the distance d1 becomes smaller as the distance d1 goes to the next direction.
前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第一方向に係る発散角を縮小させる、前記第一焦点を焦点とした第一レンズと、
前記第一レンズの後段に配置され、前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第二焦点を焦点とする第二レンズとを有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の、半導体レーザ光源装置。 The refraction optical system,
With respect to the light flux emitted from the light emission region, a divergence angle in the first direction is reduced, and a first lens having the first focus as a focus,
A second lens having a second focus as a focal point, which is disposed in the latter stage of the first lens and reduces the divergence angle in the second direction with respect to the light flux emitted from the light emission region. It has, The semiconductor laser light source device of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第一方向及び前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第一焦点を焦点とする第一レンズと、
前記第一レンズの後段に配置され、前記光出射領域から出射された前記光線束に対して、前記第二方向に係る発散角を縮小させる、前記第二焦点を焦点とする第二レンズとを有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の、半導体レーザ光源装置。 The refraction optical system,
With respect to the light flux emitted from the light emission region, reducing the divergence angle in the first direction and the second direction, a first lens having the first focus as a focus,
A second lens having a second focus as a focal point, which is disposed in the latter stage of the first lens and reduces the divergence angle in the second direction with respect to the light flux emitted from the light emission region. It has, The semiconductor laser light source device of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
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