特許 6848217 レーザダイオードモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6848217

(24)【登録日】2021年3月8日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】レーザダイオードモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20210315BHJP

   H01S 5/068 20060101ALI20210315BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20210315BHJP

   G01J 3/45 20060101ALN20210315BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/024

   H01S5/068

   H01S5/183

   !G01J3/45

【請求項の数】3

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2016-113519(P2016-113519)

(22)【出願日】2016年6月7日

(65)【公開番号】特開2017-220553(P2017-220553A)

(43)【公開日】2017年12月14日

【審査請求日】2018年10月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(72)【発明者】

【氏名】藤井 淳

(72)【発明者】

【氏名】門倉 一智

(72)【発明者】

【氏名】西 亮祐

(72)【発明者】

【氏名】諏訪 雅也

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０５−０８７９７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１３／０８４７４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開平０１−０６２５２９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０４−１４４４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２７６２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３００６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１１１４７６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国実用新案第２０２９３０７４３（ＣＮ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−０８０８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１０８９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２７３３９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｇ０１Ｊ ３／００−４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００−９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フーリエ変換赤外分光光度計の基準光源であるレーザダイオードモジュールであって、
台座と、内部にレーザダイオードチップを有するレーザ素子と、
前記レーザ素子を組み込み且つ前記台座の外周部と接触し、前記台座が周囲環境に晒されるように開口部が形成されたレーザ素子ブロックと、
前記レーザ素子ブロック内に設けられ、前記レーザ素子からの光をコリメートするコリメートレンズを接着したレンズホルダと、
前記レーザ素子ブロックの温度を調整する温度調整素子と、
前記レーザ素子ブロックに形成された穴部内に挿通され、一部が周囲環境に晒されるように配置され、前記レーザ素子ブロックの温度を検出する温度センサと、
を備え、
周囲環境の温度変動に対する、前記レーザ素子の発振波長の変動量が、０．０１ｎｍ以下であることを特徴とするレーザダイオードモジュール。

【請求項2】

前記レーザ素子は、垂直共振器面発光レーザからなることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードモジュール。

【請求項3】

前記レーザ素子は、端面発光レーザからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザダイオードモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER、略してＶＣＳＥＬと呼ぶ。）等のレーザダイオードを用いたレーザダイオードモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）の小型化及び低価格化に伴って、基準光源であるＨｅＮｅレーザの代替えとして、垂直共振器面発光レーザを使用したレーザダイオードモジュール（以下、ＬＤモジュール）が採用されている。

【0003】

垂直共振器面発光レーザは、レーザダイオードからなり、半導体基板に対して垂直方向に反射鏡があり、この反射鏡に光が出射する。垂直共振器面発光レーザは、低価格で低消費電力であるため、用いられている。

【0004】

しかし、垂直共振器面発光レーザは、温度に対する発振波長の変動量が大きく、この変動量は、フーリエ変換赤外分光光度計に設けられた赤外検出器で取得したスペクトルの横軸（波数）が変動することを意味する。このため、Ｓ（信号）／Ｎ（雑音）が劣化したり、スペクトルの定性分析が困難となる。その結果、装置内部の温度変動を抑制しあるいは垂直共振器面発光レーザの温度調整、波数校正を逐次行う等の対策が必要になる。

【0005】

フーリエ変換赤外分光光度計においては、ＩＲ光源の光量を増加させ、信号Ｓを増大させることで、Ｓ／Ｎを向上させることができる。但し、ＩＲ光源自体が発熱するため、装置内部の温度が上昇する。すると、ＬＤモジュールの垂直共振器面発光レーザチップの温度が周囲温度に振られて上昇し、発振波長が変動する。このため、発振波長を安定させるために、一般的には、ＬＤモジュールをサーモモジュールで温度制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許６６５４１２５Ｂ２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、ＬＤチップと温度センサ間の熱抵抗の影響により、ＬＤチップの温度を正確にモニタできず、周囲温度の影響を受けていた。

【0008】

さらに、既知のサンプルのスペクトルを取得し、そのスペクトルピークの変動量をフィードバックしてレーザ光の波長を補正する方法が知られている（特許文献１）。しかし、ある時間間隔でレーザの波長を監視しなければならない。また、既知のサンプルを自動で切り替える機能も必要となり、装置が高価になっていた。

【0009】

本発明の課題は、簡単な構造で、高いレベルの温度安定性を達成することができるレーザダイオードモジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るレーザダイオードモジュールは、上記課題を解決するために、フーリエ変換赤外分光光度計の基準光源であるレーザダイオードモジュールであって、台座と、内部にレーザダイオードチップを有するレーザ素子と、前記レーザ素子を組み込み且つ前記台座の外周部と接触し、前記台座が周囲環境に晒されるように開口部が形成されたレーザ素子ブロックと、前記レーザ素子ブロック内に設けられ、前記レーザ素子からの光をコリメートするコリメートレンズを接着したレンズホルダと、前記レーザ素子ブロックの温度を調整する温度調整素子と、前記レーザ素子ブロックに形成された穴部内に挿通され、一部が周囲環境に晒されるように配置され、前記レーザ素子ブロックの温度を検出する温度センサとを備え、周囲環境の温度変動に対する、前記レーザ素子の発振波長の変動量が、０．０１ｎｍ以下であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、レーザ素子の台座の外周がレーザ素子ブロックに接触し、台座が周囲環境に晒されるように開口部を形成し、温度センサの一部が周囲環境に晒されるように構成し、温度センサが周囲環境の温度とレーザ素子ブロックの温度を検出し、レーザ素子と温度センサとがともに外部温度変動の影響を受けるので、その影響度合いを制御することができる。従って、簡単な構造で、高いレベルの温度安定性を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１のレーザダイオードモジュールの断面図である。

【図2】実施例１のレーザダイオードモジュールの温度変化に対する波長の安定性を示す図である。

【図3】実施例１のレーザダイオードモジュールを備えたフーリエ変換赤外分光光度計の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明のレーザダイオードモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0014】

（実施例１）
まず、垂直共振器面発光レーザで許容される発振波長の変動は、０．０２ｎｍ以下であり、レーザダイオードチップの温度係数は、０．０６ｎｍ／℃とすると、レーザダイオード温度は０．３℃程度の温度変動となる。ＩＲ光源の光量を上げて使用する場合、装置内部の温度は室温（約２０℃）から最大で６０℃程度まで上昇する。

【0015】

また、ポータブルＦＴＩＲの場合、室外環境を想定するため、使用温度範囲は０℃から４０℃付近となる。以上のことから、周囲の温度変動が約４０℃でレーザダイオード温度は０．３℃、即ち温度係数が０．７５％以下の温度安定性が必要となる。この温度安定性を達成するための実施例の構成を以下に説明する。

【0016】

図１は、レーザダイオードモジュールの断面図である。図１に示すレーザダイオードモジュールは、レーザ素子１、ＬＤブロック２、リングネジ３、コリメートレンズ４、レンズホルダ５、サーモモジュール６、放熱板７、サーミスタ８、ネジ９，１０を備えて構成されている。

【0017】

レーザ素子１は、８５０ｎｍ縦型シングルモードのＣＡＮタイプのレーザダイオードからなる垂直共振器面発光レーザであり、基板に対して垂直方向に反射鏡があり、この反射鏡に光が出射する。レーザ素子１は、基台である台座１ａと３つのピン１ｂとを有する。台座１ａの外周は、本発明のレーザ素子ブロックに対応するＬＤブロック２に接触している。

【0018】

ＬＤブロック２には、台座１ａの中央部が周囲環境に晒されるように開口部２ｂが形成されている。３つのピン１ｂは、正極用ピン、負極用ピン、グランド用ピンからなる。

【0019】

ＬＤブロック２には、開口部２ｂよりも大径の穴部２ａが形成され、穴部２ａの外周には、ネジ溝２ｃが形成されている。穴部２ａには、レーザ素子１の本体が組み込まれ、レーザ素子１の３つのピン１ｂは、開口部２ｂを挿通して周囲環境に晒されている。

【0020】

リングネジ３は、ネジ溝２ｃに螺合しており、リングネジ３をネジ溝２ｃに螺合させることで、レーザ素子１と台座１ａとをＬＤブロック２に締結させることができる。

【0021】

コリメートレンズ４は、穴部２ａに設けられており、レーザ素子１からのレーザ光をコリメートする。レンズホルダ５は、コリメートレンズ４を接着し、図示しないネジ溝が形成され、このネジ溝がネジ溝２ｃに螺合している。ネジ溝２ｃを用いて、レーザ素子１との光軸を調整する。レーザ素子１とＬＤブロック２とレンズホルダ５とにより囲まれた空間Ａが形成される。

【0022】

サーモモジュール６は、本発明の温度調整素子に対応し、ＬＤブロック２の下部に配置され、ＬＤブロック２の温度を調整する。放熱板７は、サーモモジュール６の下部に配置され、サーモモジュール６の熱を外部に放熱する。

【0023】

サーミスタ８は、ＬＤブロック２に形成された穴部２ａ内に挿入され、ピンを含む一部が周囲環境に晒されている。サーミスタ８は、本発明の温度センサに対応し、ＬＤブロック２の温度を検出する。

【0024】

ネジ９は、ＬＤブロック２に形成された穴部２ａに挿通され、締めることで、レンズホルダ５を固定する。ネジ１０は、ＬＤブロック２に形成された穴部２ａに挿通され、締めることで、リングネジ３を固定する。

【0025】

このように実施例１のレーザダイオードモジュールによれば、レーザ素子１の台座１ａの外周がＬＤブロック２に接触し、台座１ａの中央部が周囲環境に晒されるように開口部２ｂを形成し、サーミスタ８の一部が周囲環境に晒されるように構成したので、レーザ素子１とサーミスタ８とが外部温度変動の影響を受け、その影響度合いを制御することができる。従って、簡単な構造で、高いレベルの温度安定性を達成することができる。

【0026】

図２は、実施例１のレーザダイオードモジュールの温度変化に対する波長の安定性を示す図である。図２に示す例では、環境温度を５℃から６０℃に変化させた際の発振波長の変動量を示している。

【0027】

図２からもわかるように、発振波長の変動量は０．０１ｎｍ以下となった。ＬＤチップの温度係数は、０．０６ｎｍ／℃であるため、ＬＤ温度に換算すると、０．１６℃以下となり、温度係数が０．３％以下を達成することができた。

【0028】

図３は、実施例１のレーザダイオードモジュールを備えたフーリエ変換赤外分光光度計の構成図である。フーリエ変換赤外分光光度計は、レーザ素子１、ＩＲ光源２１、固定ミラー２２、可動ミラー２３、ビームスプリッタ２４、サンプル２５、検出器２６、ミラー２７，２８、フォトダイオード２９を備える。

【0029】

ＩＲ光源２１はミラー２７を介してビームスプリッタ２４に導く。ビームスプリッタ２４は、ミラー２７からの光を一方の光と他方の光とに２分割する。一方の光は固定ミラー２２で反射されてビームスプリッタ２４に戻り、他方の光は、可動ミラー２３で反射されてビームスプリッタ２４に戻り、ビームスプリッタ２４で合成されて第１干渉波を発生させる。

【0030】

第１干渉波は、ミラー２８とサンプル２５を介して検出器２６に送られる。検出器２６は、第１干渉波に基づきフーリエ変換処理を行う。可動ミラー２３の位置により、異なる干渉波が得られるので、検出器２６は、フーリエ変換処理により、各位置の干渉波の信号強度から各波数成分の光の強度に分離する。

【0031】

また、図３に示すレーザ素子１は、図１に示すレーザ素子１であり、フーリエ変換赤外分光光度計の基準光源である。レーザ素子１からのレーザ光は、ミラー２７を介してビームスプリッタ２４に導く。ビームスプリッタ２４は、ミラー２７からの光を一方の光と他方の光とに２分割する。一方の光は固定ミラー２２で反射されてビームスプリッタ２４に戻り、他方の光は、可動ミラー２３で反射されてビームスプリッタ２４に戻り、ビームスプリッタ２４で合成されて第２干渉波を発生させる。

【0032】

第２干渉波は、ミラー２８を介してフォトダイオード２９で検出される。フォトダイオード２９で検出された出力が検出器２６で検出された第１干渉波の解析に用いられる。

【0033】

このように実施例１のレーザダイオードモジュールのレーザ素子１をフーリエ変換赤外分光光度計に用いることができる。

【0034】

なお、本発明は、レーザ素子１として、基板に対して垂直方向に反射鏡があり反射鏡に光が出射する垂直共振器面発光レーザを用いたが、これに代えて、半導体基板の端面に反射鏡があり基板に対して平行方向に光を出射するレーザダイオードからなる端面発光レーザを用いても良い。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明に係るレーザダイオードモジュールは、フーリエ変換赤外分光光度計、ポータブルフーリエ変換赤外分光光度計に適用可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ レーザ素子
１ｂ，８ａ ピン
２ ＬＤブロック
２ａ 穴部
２ｂ 開口部
２ｃ ネジ溝
３ リングネジ
４ コリメートレンズ
５ レンズホルダ
６ サーモモジュール
７ 放熱板
８ サーミスタ
９，１０ ネジ
２１ ＩＲ光源
２２ 固定ミラー
２３ 可動ミラー
２４ ビームスプリッタ
２５ サンプル
２６ 検出器
２７，２８ ミラー
２９ フォトダイオード

【図1】

【図2】

【図3】