JP2001044574A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は簡易な構成でしかも集光光束の断面
がストライプ状となる半導体レーザ装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 第１の半導体レーザアレイ１１ａと、２
個の第２の半導体レーザアレイ１１ｂ，１１ｃと、第1
の半導体レーザアレイ１１ａから出射される平行光束の
光路に対してストライプの長手方向に垂直な方向に隣接
して配設され、２個の第２の半導体レーザアレイ１１
ｂ，１１ｃから出射される平行光束を第1の半導体レー
ザアレイ１１ａから出射される平行光束の光路と平行な
方向にそれぞれ反射する２個の反射手段１４ｂ，１４ｃ
とを備え、それぞれの半導体レーザアレイが出射する平
行光束の光路方向とそのストライプの長手方向とを含む
平面が互いに平行となる位置関係になるよう放熱板１５
に設けられたヒートシンク１４ａ〜ｃ上に配置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装
置、特に半導体レーザダイオードを用いた半導体レーザ
アレイによる高出力の半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、高効率、長寿命および
小型化が図れることにより、例えば固体レーザの励起用
光源として広く用いられている。中でも、複数の半導体
レーザの出力光を集光し、高出力とする半導体レーザ装
置が注目を集めており、多数の組み合わせが提案されて
いる。

【０００３】特開平５−１６７１４３号公報には、出力
光のスポットが単一のストライプ状を成す半導体レーザ
アレイを二つ組み合わせ、二つの出力光を偏光ビームス
プリッタにより集光する半導体レーザ装置が提案されて
いる。しかし、この技術では２本の半導体レーザアレイ
の出力光しか集光できず、集光パターンも十字型となっ
てしまう。このため、集光したレーザ光を光ファイバに
入力するのに適さない。

【０００４】そこで、特開平１１−７２７４３号公報に
は、半導体レーザアレイをスタック状に積層した半導体
レーザアレイスタックの技術が提案されている。この半
導体レーザ装置によれば、スポットがストライプ状の平
行光束を複数本平行に集光できるため、高出力の半導体
レーザ装置として注目を集めている。これによれば、ス
ポットがストライプ状となった複数本のパターンを所定
間隔に平行に並べた集光パターンを得ることができるた
め、光ファイバの入力に適した集光レーザ光が得られ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体レーザ
アレイスタックを用いた半導体レーザ装置においては、
大出力動作（特に連続動作）した場合、スタック構造で
あるために熱負荷が集中し、強制冷却が必要となる。そ
のため、装置が大型、複雑になものとなっていた。

【０００６】そこで本発明は、複数の半導体レーザアレ
イから出力される平行光束を、スポットが所定間隔離れ
て並んだストライプ状の集光パターンとすることが可能
であり、しかも簡易な構成の半導体レーザ装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素
子を所定方向に並べて構成され、スポットがストライプ
状を成す第1の平行光束を出射する第１の半導体レーザ
アレイと、それぞれ複数の半導体レーザ素子を所定方向
に並べて構成され、スポットがストライプ状を成す第2
の平行光束をそれぞれ出射する複数の第２の半導体レー
ザアレイと、第1の平行光束の光路に対して当該ストラ
イプの長手方向に垂直な方向に隣接して配設され、複数
の第２の平行光束を第1の平行光束の光路と平行な方向
にそれぞれ反射する複数の反射手段とを備え、第1の半
導体レーザアレイと複数の第２の半導体レーザアレイと
は、第１の平行光束の光路方向とそのストライプの長手
方向とを含む第1の平面が、複数の第２の平行光束の光
路方向とそのストライプの長手方向とをそれぞれ含む複
数の第2の平面と互いに平行となる位置関係に配置され
ていることを特徴とする。

【０００８】これより、半導体レーザアレイを熱負荷が
集中しがちなスタック構造とすることなく分散して配置
しつつ、三つ以上の半導体レーザアレイの出力光を集光
することが可能となり、そのスポットは三つ以上のスト
ライプが平行かつ所定距離離れて並んだものとなる。

【０００９】本発明の半導体レーザ装置は、電子冷却素
子が設けられた放熱板と、この放熱板に設けられた複数
のヒートシンクとを更に備え、第一および複数の第２の
半導体レーザアレイは複数のヒートシンクに設けられる
ことを特徴としてもよい。これより、半導体レーザアレ
イからの発熱を水や冷媒等を用いずに放熱させることが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。なお、図面の説明におい
て同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００１１】図１は本発明の第1の実施形態にかかる半
導体レーザ装置を示す斜視図である。図１において、銅
のような熱伝導率の大きな材料で成形された矩形平板形
状の放熱板１５の背面には電子冷却素子の一例としてペ
ルチェ素子１６が固定され、更にペルチェ素子１６の背
面には放熱フィン１７が固定されている。

【００１２】放熱板１５の表面（載置面）上には、銅の
ような熱伝導率の大きな材料で成形された矩形ブロック
状の３個のヒートシンク１３ａ〜ｃが配置されており、
個々のヒートシンク１３ａ〜ｃの上部端辺には半導体レ
ーザアレイ１１ａ〜ｃがそれぞれ載置されている。

【００１３】ここで、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃ
は、ＧａＡｓのような化合物半導体をヘテロ接合させた
半導体レーザダイオードから形成されており、アレイ方
向と直交する方向に延びるストライプ状の活性層（図示
せず）が、アレイ方向に複数並んだ構造を有している。
そして、ヒートシンク１３ａ〜ｃの載置面側とその反対
面側がカソードおよびアノードとなり、活性層の断面構
造はアレイ方向に長尺で、その直交方向（化合物半導体
の積層方向）に薄くなっている。

【００１４】このため、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃ
の出射光は、アレイ方向と直交する方向（上記載置面と
も直交する方向）に、より大きな広がりをもって出射さ
れる。この広がりを修正するため、半導体レーザアレイ
１１ａ〜ｃのそれぞれの出射部にはガラスファイバ等か
らなるコリメータレンズ１２ａ〜ｃが取り付けられてお
り、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃの出射光をスポット
のパターンがストライプ状の平行光束（各々の出射光が
相互にほぼ平行な光束）になるように修正している。

【００１５】前述したように、それぞれの半導体レーザ
アレイ１１ａ〜ｃは個別のヒートシンク１３ａ〜ｃに載
置されており、さらにヒートシンク１３ａ〜ｃは放熱板
１５上に配置されている。また、放熱板１５は電子冷却
素子１６の冷却側に固定されており、電子冷却素子１６
の放熱板側には放熱フィン１７が固定されている。この
ため、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃで発生する熱は、
個別のヒートシンク１３ａ〜ｃから放熱板１５を介して
電子冷却素子１６に伝わり、放熱フィン１７によって放
熱される。そのため、十分な放熱効率を実現できるの
で、水や冷媒等を用いなくとも十分に半導体レーザアレ
イ１１ａ〜ｃの冷却状態が保たれる。

【００１６】また、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃから
出射された平行光束が互いに交錯する位置の放熱板１５
上には、半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃからの平行
光束をそれぞれ反射する反射面を有した反射部材１４ｂ
およびｃが設けられており、これらは三角柱状に成形さ
れている。

【００１７】図２は図１の放熱板１５上に配置された半
導体レーザアレイ１１ａ〜ｃの位置関係を示す斜視図で
ある。ここで、ヒートシンク１３ａ〜ｃの上面、すなわ
ちそれぞれ半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃが載置される
載置面の高さは相互に異なっており、半導体レーザアレ
イ１１ａの出射部が最も高く、半導体レーザアレイ１１
ｃの出射部の高さが最も低くなっている。そのため、半
導体レーザアレイ１１ａ〜ｃから出射される平行光束が
形成する面（平行光束の光軸すなわち光路と、平行光束
のスポットの長手方向を含む平面）は、それぞれ互いに
平行で放熱板１５の上面からの高さが異なっている。ま
た、半導体レーザアレイ１１ｂと１１ｃとは対面してお
り、これら半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃは出射光
路が半導体レーザアレイ１１ａの出射光路に対して垂直
な方向となるように配置されている。

【００１８】半導体レーザアレイ１１ａから出射された
平行光束のストライプの長手方向と垂直な方向に隣接す
る位置、すなわち半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃか
ら出射された各平行光束の高さと一致する位置には、互
いに交差する反射面をそれぞれ有する反射部材１４ｂお
よび１４ｃが配設されている。そして、反射部材１４ｂ
の反射面は、半導体レーザアレイ１１ｂから出射された
平行光束を半導体レーザアレイ１１ａの光路と同じ方向
に反射し、反射部材１４ｃの反射面は、半導体レーザア
レイ１１ｃの出射した平行光束を半導体レーザアレイ１
１ａの光路と同じ方向に反射するように配置されてい
る。

【００１９】半導体レーザアレイ１１ａの光路に対して
垂直方向、つまり９０度に入射した半導体レーザアレイ
１１ｂおよびｃから出射された平行光束は、それぞれ反
射部材１４ｂおよびｃの有する反射面によって半導体レ
ーザアレイ１１ａの光路と同じ方向に反射される。その
結果、それぞれの平行光束の集光後の断面は図２に示さ
れるように３本のストライプ１Ｓとなり、ストライプの
スポットが３本並んだ集光光束が得られる。

【００２０】以上のように本発明では、簡易な構成で半
導体レーザアレイから出射される平行光束を集光するこ
とができ、そのため、水冷等の大型装置を付設すること
無く大出力の半導体レーザ装置を実現することができ
る。また、集光されたレーザ光は、断面がストライプ状
のスポットを重ねた全体形状がほぼ矩形状のものとな
り、そのため光ファイバへの効率の良い入力が可能とな
る。

【００２１】次に、本発明にかかる第２の実施形態につ
いて説明する。図３は第２の実施形態にかかる半導体レ
ーザ装置を示す斜視図であり、第１の実施形態と異なる
点は、半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃの配置のみである
ので、放熱板等は省略して図示する。図示の通り、半導
体レーザアレイ１１ｂおよびｃは対面しており、それぞ
れの半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃから出射された
平行光束は、半導体レーザアレイ１１ａの光路に対して
１３５度および４５度に光路をとっている。ここで、そ
れぞれ半導体レーザアレイ１１ａ〜ｃが載置される載置
面の高さは相互に異なっており、半導体レーザアレイ１
１ａの出射部が最も高く、半導体レーザアレイ１１ｃの
出射部の高さが最も低くなっている。また、半導体レー
ザアレイ１１ａ〜ｃから出射された平行光束が互いに交
錯する位置には、半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃか
らの平行光束をそれぞれ反射する反射面を有した反射部
材１４ｂおよびｃが設けられている。

【００２２】半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃから出
射された平行光束は、それぞれ反射部材１４ｂおよびｃ
の有する反射面によって半導体レーザアレイ１１ａの光
路と同じ方向に反射される。その結果、それぞれの平行
光束の集光後の断面は図３に示されるように３本のスト
ライプ２Ｓとなり、ストライプのスポットが３本並んだ
集光光束が得られる。

【００２３】次に、本発明にかかる第３の実施形態につ
いて説明する。図４は第３の実施形態にかかる半導体レ
ーザ装置を示す斜視図である。図示の通り、それぞれの
半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃから出射された平行
光束は、半導体レーザアレイ１１ａの光路に対してそれ
ぞれ４５度に光路をとっている。ここで、それぞれ半導
体レーザアレイ１１ａ〜ｃが載置される載置面の高さは
相互に異なっており、半導体レーザアレイ１１ａの出射
部が最も高く、半導体レーザアレイ１１ｃの出射部の高
さが最も低くなっている。また、半導体レーザアレイ１
１ａ〜ｃから出射された平行光束が互いに交錯する位置
には、半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃからの平行光
束をそれぞれ反射する反射面を有した反射部材１４ｂお
よびｃが設けられている。

【００２４】半導体レーザアレイ１１ｂおよびｃから出
射された平行光束は、それぞれ反射部材１４ｂおよびｃ
の有する反射面によって半導体レーザアレイ１１ａの光
路と同じ方向に反射される。その結果、それぞれの平行
光束の集光後の断面は図４に示されるように３本のスト
ライプ３Ｓとなり、ストライプのスポットが３本並んだ
集光光束が得られる。

【００２５】次に、本発明にかかる第４の実施形態につ
いて説明する。図５は５本の平行光束を集光した第４の
実施形態の斜視図である。これは、図２で示した３本の
平行光束の集光装置に更に２つの半導体レーザアレイを
加えて５本の平行光束を集光した実施形態である。

【００２６】この場合、図２に示す第１の実施形態の半
導体レーザアレイ１１ａ〜ｃの配置に加え、更に二つの
対面した半導体レーザアレイ１１ｄおよびｅを、半導体
レーザアレイ１１ａからの出射光の光路に対して９０度
に平行光束を入射させる方向にそれぞれ配置させてい
る。ここで、それぞれ半導体レーザアレイ１１ａ〜ｅが
載置される載置面の高さは相互に異なっており、高い順
に半導体レーザアレイ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１
ｄ、１１ｅとなっている。また、半導体レーザアレイ１
１ａ，１１ｄおよびｅから出射された平行光束が互いに
交錯する位置には、半導体レーザアレイ１１ｄおよびｅ
からの平行光束をそれぞれ反射する反射面を有した反射
部材１４ｄおよびｅが設けられている。

【００２７】そして、反射部材１４ｄおよびｅの有する
反射面により半導体レーザアレイ１１ｄおよびｅから出
射された平行光束は、半導体レーザアレイ１１ａの光路
と同じ方向に反射される。これにより、４つの半導体レ
ーザアレイ１１ｂ〜ｅと半導体レーザアレイ１１ａの平
行光束を集光することができ、それぞれの平行光束の集
光後の断面は図５に示されるように５本のストライプ４
Ｓとなり、ストライプのスポットが５本並んだ集光光束
が得られる。

【００２８】次に、本発明にかかる第５の実施形態につ
いて説明する。図６は５本の平行光束を集光した第５の
実施形態の斜視図である。図６に示すように、反射部材
１４ｂ〜ｅは積層されており、それぞれに対応している
半導体レーザアレイ１１ｂ〜ｅは出射する平行光束が半
導体レーザアレイ１１ａの光路に対してそれぞれ９０
度、４５度、９０度および１３５度で入射するように配
置されている。ここで、それぞれ半導体レーザアレイ１
１ａ〜ｅが載置される載置面の高さは相互に異なってお
り、第４実施形態と同様に高い順に半導体レーザアレイ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅとなってい
る。

【００２９】半導体レーザアレイ１１ｂ〜ｅから出射さ
れる平行光束は、それぞれ対応する反射部材１４ｂ〜ｅ
の有する反射面により半導体レーザアレイ１１ａの光路
と同じ方向に反射される。これにより、４つの半導体レ
ーザアレイ１１ｂ〜ｅと半導体レーザアレイ１１ａの平
行光束を集光することができ、それぞれの平行光束の集
光後の断面は図６に示されるように５本のストライプ５
Ｓとなり、ストライプのスポットが５本並んだ集光光束
が得られる。

【００３０】以上述べてきた本実施形態を更に応用すれ
ば、５本以上の複数の半導体レーザアレイから出射され
る平行光束を集光することも可能である。なお、本実施
形態は一実施形態を示しており、本発明にかかる実施形
態はこれに限られるものではない。例えば、三角柱状の
反射部材を用いたが反射部材の形状はこれに限られるも
のではなく、ミラーのような光を反射するものであれば
よい。また、ヒートシンクや放熱板も銅に限らず他の熱
伝導率が良好な材料を使用してもよい。また、ヒートシ
ンクの形状も矩形ブロック状には限られない。

【００３１】

【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明にか
かる半導体レーザ装置によれば、簡易な方法で半導体レ
ーザアレイから出射される平行光束を集光することがで
き、そのため、大出力の半導体レーザ装置を得ることが
できる。また、集光されたレーザ光は、断面がストライ
プ状のスポットとなっており、そのため光ファイバへの
入力が可能となる。

【００３２】また、半導体レーザアレイで発生する熱
は、個別のヒートシンクから放熱板を介して電子冷却素
子に伝わり、放熱フィンによって放熱されため、十分な
放熱効率を実現できるので、水や冷媒等を用いなくとも
十分に半導体レーザアレイ冷却状態が保たれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１の実施形態を示す斜視図で
ある。

【図２】第１の実施形態にかかる半導体レーザアレイの
配置を示す斜視図である。

【図３】第２の実施形態にかかる半導体レーザアレイの
配置を示す斜視図である。

【図４】第３の実施形態にかかる半導体レーザアレイの
配置を示す斜視図である。

【図５】第４の実施形態にかかる半導体レーザアレイの
配置を示す斜視図である。

【図６】第５の実施形態にかかる半導体レーザアレイの
配置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ａ〜ｅ…半導体レーザアレイ、１２ａ〜ｅ…コリメ
ータ、１３ａ〜ｅヒートシンク、１４ｂ〜ｅ…反射部
材、１５…放熱板、１６…電子冷却素子、１７…放熱フ
ィン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体レーザ素子を所定方向に並
   べて構成され、スポットがストライプ状を成す第１の平
   行光束を出射する第１の半導体レーザアレイと、 それぞれ複数の半導体レーザ素子を所定方向に並べて構
   成され、スポットがストライプ状を成す第２の平行光束
   をそれぞれ出射する複数の第２の半導体レーザアレイ
   と、 前記第1の平行光束の光路に対して当該ストライプの長
   手方向に垂直な方向に隣接して配設され、複数の前記第
   ２の平行光束を前記第1の平行光束の光路と平行な方向
   にそれぞれ反射する複数の反射手段と、 を備え、前記第1の半導体レーザアレイと複数の前記第
   ２の半導体レーザアレイとは、前記第１の平行光束の光
   路方向とそのストライプの長手方向とを含む第1の平面
   が、複数の前記第２の平行光束の光路方向とそのストラ
   イプの長手方向とをそれぞれ含む複数の第２の平面と互
   いに平行となる位置関係に配置されていることを特徴と
   する半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 電子冷却素子が設けられた放熱板と、前
   記放熱板に設けられた複数のヒートシンクとを更に備
   え、前記第１および複数の前記第２の半導体レーザアレ
   イはそれぞれ前記複数のヒートシンクに設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。