【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置、特に半導体レーザ素子のマウント構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体レーザ装置に使用される発光素子としての半導体レーザ素子（半導体レーザダイオード（ＬＤ））は、低電力で高出力のレーザ光線を発するものとして普及しており、又近年益々高出力のレーザ光線が要求されている。又、半導体レーザ素子自体は微小なものであり、高出力のレーザ光線を射出することから発熱量も大きい。半導体レーザ素子は温度が高くなると出力が低下し、寿命も短くなる為、冷却を必要とする。
【０００３】
図１４に於いて、従来の半導体レーザ装置１について説明する。
【０００４】
半導体レーザ素子２は通常、放熱板（以下ヒートシンク）３にハンダ、ペースト等により固着される。前記半導体レーザ素子２は上下両面が電極となっており、前記ヒートシンク３は前記半導体レーザ素子２の放熱器として機能すると共に電極として使用され、他方の電極としては前記半導体レーザ素子２の上面にワイヤ（図示せず）がボンディングされる。
【０００５】
前記ヒートシンク３、ワイヤを介して前記半導体レーザ素子２に電力が供給され、該半導体レーザ素子２が発光される。該半導体レーザ素子２の発光と共に該半導体レーザ素子２は発熱し、発熱は前記ヒートシンク３を介して放熱される。
【０００６】
上記した様に、近年益々高出力のレーザ光線が要求されており、１つの半導体レーザ素子２では出力に限界がある為、出力の増大に対して前記半導体レーザ素子２を複数用いることで高出力化の要求に対応している。
【０００７】
図１５は複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置４の概略を示している。
【０００８】
図１５中では３個の半導体レーザ素子２が横に並べられてヒートシンク３に固着された半導体レーザ装置４を示している。
【０００９】
該半導体レーザ装置４では前記ヒートシンク３が共通の電極となり、個々の半導体レーザ素子２にはそれぞれ電極としてのワイヤ（図示せず）がボンディングされている。複数の前記半導体レーザ素子２に前記ヒートシンク３、ワイヤを介して個々に電力が供給され、前記個々の半導体レーザ素子２からレーザ光線が発せられる。輝度の高い高出力のレーザ光線とするには、前記個々の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をまとめる必要があり、従来では複数のレーザ光線をまとめる為の光学系が設けられている。斯かる光学系の一例としては、前記各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をそれぞれ光ファイバにより導き、更に光ファイバを束ねる等し、一本のレーザ光線として出力するものがあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置では、複数の半導体レーザ素子２が横に並べられて設けられる為高出力化に対応して半導体レーザ素子２の数が増えると半導体レーザ素子２の両端間の幅が大きくなり、又各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線を集光させる手段として光ファイバでまとめた場合、光ファイバの取回しの為の占有空間が大きくなり、又束ねた光ファイバの径が大きくなる。この為、複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置では設置上の制約が大きくなると共に束ねた光ファイバの径が大きくなるとレーザ光線も光束断面も大きくなるという不具合があった。
【００１１】
更に、上記した様に、従来の半導体レーザ装置では複数の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線を細く束ねる為に複雑な光学系が必要であり、又光学系に光ファイバを用いた場合、レーザ光線が光ファイバを通過する際に本来レーザ光線が持っている偏向方向が崩れてしまう。
【００１２】
本発明は斯かる実情に鑑み、複数の半導体レーザ素子からの集光を容易にし、而も設置上の制約を生じない半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対向する面が電極面である少なくとも２つの半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が電極面を介して積層され対向する面が電極面となる半導体レーザ素子ユニットと、該半導体レーザ素子ユニットの両電極面に設けられた放熱板とを具備する半導体レーザ装置に係り、又前記放熱板の一方に溝を形成し、該溝に前記半導体レーザ素子ユニットが収納され、前記放熱板の他方は前記半導体レーザ素子ユニットに取付けられると共に前記一方の放熱板に取付けられた半導体レーザ装置に係り、又２つの放熱板間に溝が形成され、該溝内に前記半導体レーザ素子ユニットが横置きされた半導体レーザ装置に係り、又前記溝と半導体レーザ素子ユニット間の間隙には熱伝導性のある電気絶縁材料が設けられている半導体レーザ装置に係り、又前記２つの放熱板が電気伝導性材料であり、該２つの放熱板が電気的に絶縁されている半導体レーザ装置に係り、又前記２つの放熱板の一方が電気絶縁材料であり、該一方の放熱板には通孔が穿設され、該通孔を通して電極が設けられる半導体レーザ装置に係り、又前記２つの放熱板間には熱伝導性を有する電気絶縁材料が設けられている半導体レーザ装置に係り、前記一方の放熱板は他方の放熱板に熱的に接続され、他方の放熱板が冷却される半導体レーザ装置に係り、又前記一方の放熱板に前記半導体レーザ素子ユニットの形状に合わせ溝が刻設されている半導体レーザ装置に係り、又前記半導体レーザ素子ユニットと前記放熱板と間に熱伝導性の高い部材が設けられた半導体レーザ装置に係り、又前記半導体レーザ素子ユニットと前記放熱板と間に熱伝導性が高く、前記半導体レーザ素子ユニットの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する部材が設けられた半導体レーザ装置に係り、更に又前記半導体レーザ素子間に温度差が生じる様に前記半導体レーザ素子ユニットが冷却される半導体レーザ装置に係るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１により第１の実施の形態について説明する。
【００１６】
下ヒートシンク５に半導体レーザ素子６をハンダ付け等で固着し、該半導体レーザ素子６に半導体レーザ素子７，８を３段に重ね、前記半導体レーザ素子６，７，８間はハンダ付け等し、電気的導通がある様に固着する。最上位にある前記半導体レーザ素子８にハンダ付け等により電気的導通がある様に上ヒートシンク９を固着する。前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９の材質は熱伝導性の高い、金、ニッケル、銅等が用いられる。前記半導体レーザ素子６，７，８は電極である下ヒートシンク５、上ヒートシンク９に対して直列接続された状態となる。
【００１７】
前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９に、前記半導体レーザ素子６，７，８に電力を供給可能な電力供給部（図示せず）を接続する。前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９にそれぞれ電子冷凍素子（ＴＥＣ）（図示せず）を取付け、該電子冷凍素子により前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９を冷却する。
【００１８】
前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９より前記半導体レーザ素子６，７，８に電力を供給し、前記半導体レーザ素子６，７，８を発光させる。該半導体レーザ素子６は前記下ヒートシンク５により直接、前記半導体レーザ素子８は前記上ヒートシンク９により直接冷却され、前記半導体レーザ素子７は前記半導体レーザ素子６及び前記半導体レーザ素子８を介して前記下ヒートシンク５及び上ヒートシンク９より冷却される。
【００１９】
而して、前記半導体レーザ素子６，７，８は前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９により所要温度迄冷却される。
【００２０】
前記半導体レーザ素子６，７，８は密着された状態の３段重ねであり、規則正しく重ねられた該半導体レーザ素子６，７，８から発せられる３つのレーザ光線は、発光された時点で略束ねられた状態の光束となる。而して、３つのレーザ光線は集光レンズ等により容易に平行光束とされ、輝度が高くビーム径の小さい高出力のレーザ光線が得られる。
【００２１】
前記半導体レーザ素子６の温度は前記下ヒートシンク５による冷却状態によって決定され、前記半導体レーザ素子８の温度は前記上ヒートシンク９による冷却状態によって決定される。更に、前記半導体レーザ素子７の温度は前記半導体レーザ素子６、半導体レーザ素子８を介して冷却される為、該半導体レーザ素子６，８の温度によって決定される。従って、前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９による冷却状態を制御することで、前記半導体レーザ素子６，７，８それぞれの温度を制御することができる。
【００２２】
該半導体レーザ素子６，７，８から発せられるレーザ光線の波長は該半導体レーザ素子６，７，８の温度によって決定されるので、該半導体レーザ素子６，７，８の温度制御を行い、各半導体レーザ素子６，７，８から発せられる波長を制御することが可能となる。
【００２３】
例えば、本半導体レーザ装置が測距の光源として使用される場合、上下の冷却温度を制御することにより波長が異なるレーザ光線が使用されることで、干渉性が少なくなり、測定精度が向上する。
【００２４】
尚、上記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９のいずれか一方の電子冷凍素子或はヒートシンク自体を省略し、半導体レーザ素子６，７，８で温度勾配が生じる様な冷却としてもよい。
【００２５】
又、前記半導体レーザ素子６，７，８にそれぞれ波長の異なるものを用いてもよい。例えば、赤色のレーザ光線、緑のレーザ光線、青のレーザ光線を発する半導体レーザ素子６，７，８とし、ＲＧＢのレーザ光線を発する発光源としてもよい。
【００２６】
図２は第１の実施の形態の応用例を示している。
【００２７】
該応用例では前記下ヒートシンク５と上ヒートシンク９間に熱伝導性が高い、電気絶縁部材１０を挾設し、該電気絶縁部材１０は前記半導体レーザ素子６，７，８の側面に密着させている。前記電気絶縁部材１０の材質としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、セラミックス、エポキシ樹脂、ダイアモンド薄膜で絶縁した部材等が挙げられる。
【００２８】
前記電気絶縁部材１０を設けることで、前記半導体レーザ素子６，７，８の側面から発せられる熱を前記電気絶縁部材１０を介して前記下ヒートシンク５、上ヒートシンク９に伝達し、一層冷却効果を高めている。
【００２９】
図３により第２の実施の形態を説明する。
【００３０】
下ヒートシンク５に溝１１を刻設し、該溝１１の底面に一体化した前記半導体レーザ素子６，７，８（以下半導体レーザ素子ユニット１２と称す）をハンダ付け等の電気的導通が得られる方法で固着する。前記溝１１の幅は前記半導体レーザ素子ユニット１２の幅より大きく該半導体レーザ素子ユニット１２の両側には間隙が形成され、電気的には非接触とする。又、前記溝１１の溝の深さは前記半導体レーザ素子ユニット１２の高さと同一となっている。
【００３１】
前記下ヒートシンク５の上面に絶縁シート１３を介して電極板１４が固着される。
【００３２】
該電極板１４は伝熱板、放熱板を兼ねており、熱伝導性の高い、金、ニッケル、銅等が用いられ、前記絶縁シート１３は電気絶縁材料であって、熱伝導性の高い材質、例えばＳｉＣ、ＡｌＮ、セラミックス、エポキシ樹脂、ダイアモンド薄膜、Ｃｕ−Ｗ等が用いられる。尚、前記電極板１４として図１で示した上ヒートシンク９が用いられてもよい。
【００３３】
又、前記絶縁シート１３の前記半導体レーザ素子ユニット１２と対応する部分には欠切部１５が設けられ、該欠切部１５を通して前記半導体レーザ素子８と前記電極板１４とがハンダ付け等により接続される。前記溝１１の底面には電子冷凍素子が取付けられる。
【００３４】
前記半導体レーザ素子ユニット１２が発する熱は下面側から前記下ヒートシンク５により伝達され、又前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面側から前記絶縁シート１３を通して前記電極板１４に伝達され、更に該電極板１４から前記絶縁シート１３を介して前記下ヒートシンク５に伝達される。該下ヒートシンク５は前記電子冷凍素子（図示せず）によって冷却される。
【００３５】
尚、前記間隙に熱伝導性の高い絶縁材料を充填し、前記半導体レーザ素子ユニット１２の側面からも冷却する様にしてもよい。
【００３６】
本第２の実施の形態では前記電子冷凍素子は前記下ヒートシンク５のみに設けられればよい。
【００３７】
図４、図５により前記第２の実施の形態の応用例を説明する。
【００３８】
前記絶縁シート１３、電極板１４の代りに電気的絶縁性を有し、且つ熱伝導性の高い材質の絶縁板１６を前記下ヒートシンク５の上面に設ける。前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面には前記絶縁板１６と密着する様にハンダ層１７が形成されている。前記絶縁板１６の前記半導体レーザ素子ユニット１２の対応する位置には通孔１８が穿設され、該通孔１８は前記ハンダ層１７と連続する様にハンダにより充填され、更にハンダにより端子部１９が形成される。前記絶縁板１６は前記半導体レーザ素子ユニット１２と前記下ヒートシンク５間の伝熱部材として機能すると共に前記絶縁板１６自体が放熱板としても機能する。
【００３９】
前記下ヒートシンク５、前記端子部１９が前記半導体レーザ素子ユニット１２の電極となり、前記下ヒートシンク５、前記端子部１９を介して前記半導体レーザ素子ユニット１２に給電され、該半導体レーザ素子ユニット１２が発光される。
【００４０】
而して、該半導体レーザ素子ユニット１２の下面側からの熱は直接前記下ヒートシンク５に伝達され、前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面側からの熱は前記ハンダ層１７、絶縁板１６を介して前記下ヒートシンク５に伝達され、該下ヒートシンク５を介して前記半導体レーザ素子ユニット１２が冷却される。
【００４１】
図６により第３の実施の形態を説明する。
【００４２】
下ヒートシンク５に半導体レーザ素子ユニット１２を固着し、該半導体レーザ素子ユニット１２に干渉しない様に形成された欠切部１５を有する絶縁シート１３が前記下ヒートシンク５に載置される。
【００４３】
前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面に密着し、且つ電気的に接続する様電極板１４が設けられ、該電極板１４と前記絶縁シート１３間には熱伝導性の高い材質（導電材料であっても絶縁材料であってもよい）のスペーサ２１を挾設し、前記電極板１４、スペーサ２１、絶縁シート１３、下ヒートシンク５を一体化する。
【００４４】
前記スペーサ２１が導電材料である場合は、前記半導体レーザ素子ユニット１２と前記スペーサ２１間には隙間が形成され、前記スペーサ２１が絶縁材料である場合は、前記半導体レーザ素子ユニット１２の側面と前記スペーサ２１とは密着される。
【００４５】
尚、前記電極板１４は導電材料であり、前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面とハンダ付け等された場合は、直接電極として機能し、又前記電極板１４に通孔１８を穿設し、該通孔１８から前記半導体レーザ素子ユニット１２の上面に到達する様ハンダを充填し、該ハンダを電極の端子としてもよい。
【００４６】
尚、第３の実施の形態で、前記電極板１４を絶縁材料とした場合は、前記絶縁シート１３は省略できる。この場合、前記電極板１４に前記通孔１８を穿設し、該通孔１８に充填したハンダが電極の端子となる。
【００４７】
図７、図８は第４の実施の形態を示している。
【００４８】
該第４の実施の形態では、下ヒートシンク５と上ヒートシンク２４間で溝が形成され、該溝に前記半導体レーザ素子ユニット１２を半導体レーザ素子６，７，８が横方向に積層される様にして設けたものである。
【００４９】
前記下ヒートシンク５に段差部２２を形成し、該段差部２２の底面に絶縁シート２３を敷設し、該絶縁シート２３に前記半導体レーザ素子ユニット１２を横置きする。該半導体レーザ素子ユニット１２の一面を前記段差部２２の側面に密着させ、ハンダ付け等して前記半導体レーザ素子ユニット１２と前記下ヒートシンク５とを電気的に接続する。前記半導体レーザ素子ユニット１２と前記下ヒートシンク５が形成する段差部２２の残部を充足する様に、電極板を兼ねる上ヒートシンク２４を設ける。該上ヒートシンク２４は導電材料であり、且つ上ヒートシンクとして機能する様熱伝導性の高い材質が用いられる。
【００５０】
前記下ヒートシンク５の上面、前記半導体レーザ素子ユニット１２の上側面、前記上ヒートシンク２４の上面は面一となっており、前記下ヒートシンク５、半導体レーザ素子ユニット１２、上ヒートシンク２４に掛渡って押え板２５がそれぞれに密着する様に固着される。前記下ヒートシンク５の下面には図示しない電子冷凍素子が取付けられる。前記絶縁シート２３、前記押え板２５の材質は電気絶縁性を有し、且つ熱伝導性の高いものが用いられる。例えば前述した様な、ＳｉＣ、ＡｌＮ、セラミックス、エポキシ樹脂等である。
【００５１】
前記下ヒートシンク５、前記上ヒートシンク２４を介して前記半導体レーザ素子ユニット１２に電力が供給され、該半導体レーザ素子ユニット１２が発光される。
【００５２】
該半導体レーザ素子ユニット１２の図８中左側面から発せられる熱は直接前記下ヒートシンク５に伝達され、前記半導体レーザ素子ユニット１２の右側面からの熱は前記上ヒートシンク２４、絶縁シート２３を介して前記下ヒートシンク５に伝達され、前記半導体レーザ素子ユニット１２の下側面からの熱は前記絶縁シート２３を介して前記下ヒートシンク５に、又前記半導体レーザ素子ユニット１２の上側面からの熱は前記押え板２５を介して前記下ヒートシンク５に伝達される。而して、前記半導体レーザ素子ユニット１２は４面から冷却される。
【００５３】
図９、図１０は本発明の応用例を示しており、前記半導体レーザ素子６，７，８を積層固着する場合の作業性を向上する為、前記下ヒートシンク５の半導体レーザ素子６，７，８が固着される場所を挾んで溝２６を刻設したものである。
【００５４】
前記半導体レーザ素子６，７，８を固着する場合は、通常ハンダ付けが行われるが、余分なハンダが前記溝２６に溜りハンダの処理が容易になる。又、前記半導体レーザ素子６，７，８の位置決めの基準線となるので、位置決めが容易になる。
【００５５】
図１１は溝２６に位置決め板２７を立設したものであり、該位置決め板２７を設けることで、前記半導体レーザ素子６，７，８を積層する場合に横ずれなく行える。前記位置決め板２７は作業が完了すると取外す。尚、該位置決め板２７はそのまま取付けて於いてもよい。この場合、該位置決め板２７は電気絶縁性を有し、熱伝導性の高い材質とし、図２で示した電気絶縁部材１０の代りとしてもよい。
【００５６】
図１２は本発明の更に他の応用例を示すものであり、前記半導体レーザ素子ユニット１２を熱伝導性の高い材質により形成した熱伝導膜２８を介して固着したものである。尚、前記下ヒートシンク５を電極として使用する場合は、更に前記熱伝導膜２８は電導性を有するものが使用される。該熱伝導膜２８の材質としてはダイアモンド薄膜、Ｃｕ−Ｗ、ＡｌＮ等が挙げられる。
【００５７】
前記熱伝導膜２８を設けることで前記下ヒートシンク５と半導体レーザ素子ユニット１２間の熱抵抗が減少し、前記半導体レーザ素子ユニット１２の冷却特性が向上する。尚、前記熱伝導膜２８は前記半導体レーザ素子ユニット１２が設けられる箇所に部分的に形成されてもよく、或は前記下ヒートシンク５の全面に形成されてもよい。
【００５８】
図１３は本発明の更に他の応用例を示すものであり、熱膨張係数が前記半導体レーザ素子ユニット１２に近い熱緩衝膜２９を前記下ヒートシンク５の表面に形成し、前記半導体レーザ素子ユニット１２を前記熱緩衝膜２９を介して固着したものである。該熱緩衝膜２９の材質としてはダイアモンド薄膜、Ｃｕ−Ｗ、ＡｌＮ等が挙げられる。
【００５９】
該熱緩衝膜２９を設けることで、前記下ヒートシンク５に前記半導体レーザ素子ユニット１２を取付ける際、或は該半導体レーザ素子ユニット１２を駆動開始した時点等、前記下ヒートシンク５と半導体レーザ素子ユニット１２間に温度差が生じる状態での該半導体レーザ素子ユニット１２に発生する熱応力を減少させる。尚、前記熱緩衝膜２９は前記半導体レーザ素子ユニット１２が設けられる箇所に部分的に形成されてもよく、或は前記下ヒートシンク５の全面に形成されてもよい。
【００６０】
尚、本発明に於いて、半導体レーザ素子ユニット１２がパルス駆動され発熱量が大きくない場合、半導体レーザ素子間で波長を異ならせる場合等では半導体レーザ素子ユニット１２の一面のみの冷却、例えば図１で上ヒートシンク９を省略した構造としてもよい。又、半導体レーザユニット１２を横に複数並べて設けてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、相対向する面が電極面である少なくとも２つの半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子が電極面を介して積層され対向する面が電極面となる半導体レーザ素子ユニットと、該半導体レーザ素子ユニットの両電極面に設けられた放熱板とを具備するので、レーザ光線は、発光された時点で略束ねられた状態の光束となり、輝度が高くビーム径の小さい高出力のレーザ光線が得られる。
【００６２】
又、前記一方の放熱板は他方の放熱板に熱的に接続され、他方の放熱板が冷却されるので、積層された複数の半導体レーザ素子を１つの冷却装置により冷却することが可能となる。
【００６３】
又、前記半導体レーザ素子ユニットと前記放熱板と間に熱伝導性の高い部材が設けられたので、半導体レーザ素子ユニットと放熱板間の熱抵抗が減少し、放熱効果が増大する。
【００６４】
又、前記半導体レーザ素子ユニットと前記放熱板と間に熱伝導性が高く、前記半導体レーザ素子ユニットの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する部材が設けられたので、放熱効果が増大すると共に前記部材が応力緩衝材となり、前記半導体レーザ素子ユニットから発生する熱応力を軽減する。
【００６５】
更に又、前記半導体レーザ素子間に温度差が生じる様に前記半導体レーザ素子ユニットが冷却されるので、半導体レーザ素子から発せられるレーザ光線の波長を変えることができる等種々の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の応用例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の応用例を示す要部概略斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の応用例を示す要部概略正面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を示す要部概略正面図である。
【図９】本発明の応用例を示す平面図である。
【図１０】本発明の応用例を示す正面図である。
【図１１】本発明の他の応用例を示す正面図である。
【図１２】本発明の更に他の応用例を示す正面図である。
【図１３】本発明の更に他の応用例を示す正面図である。
【図１４】従来例の概略斜視図である。
【図１５】他の従来例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ装置
５ 下ヒートシンク
６，７，８ 半導体レーザ素子
９ 上ヒートシンク
１０ 電気絶縁部材
１２ 半導体レーザ素子ユニット
１３ 絶縁シート
１４ 電極板
１６ 絶縁板
２４ 上ヒートシンク
２６ 溝
２７ 位置決め板
２８ 熱伝導膜
２９ 熱緩衝膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device mounting structure.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Currently, semiconductor laser elements (semiconductor laser diodes (LDs)) as light emitting elements used in semiconductor laser devices have become widespread as emitting low-power, high-power laser beams. Light rays are required. Further, the semiconductor laser element itself is minute and emits a high-power laser beam, so that the heat generation is large. Semiconductor laser devices require cooling because the output decreases as the temperature increases and the life is shortened.
[0003]
Referring to FIG. 14, a conventional semiconductor laser device 1 will be described.
[0004]
The semiconductor laser element 2 is usually fixed to a heat sink (hereinafter referred to as a heat sink) 3 by solder, paste, or the like. The upper and lower surfaces of the semiconductor laser element 2 are electrodes. The heat sink 3 functions as a radiator of the semiconductor laser element 2 and is used as an electrode. The other electrode is a wire on the upper surface of the semiconductor laser element 2. (Not shown) are bonded.
[0005]
Electric power is supplied to the semiconductor laser element 2 via the heat sink 3 and a wire, and the semiconductor laser element 2 emits light. The semiconductor laser element 2 generates heat together with the light emission of the semiconductor laser element 2, and the heat is radiated through the heat sink 3.
[0006]
As described above, in recent years, higher output laser beams have been demanded, and the output of a single semiconductor laser device 2 is limited. Responds to demands for
[0007]
FIG. 15 schematically shows a semiconductor laser device 4 including a plurality of semiconductor laser elements 2.
[0008]
FIG. 15 shows a semiconductor laser device 4 in which three semiconductor laser elements 2 are arranged side by side and fixed to a heat sink 3.
[0009]
In the semiconductor laser device 4, the heat sink 3 serves as a common electrode, and a wire (not shown) as an electrode is bonded to each semiconductor laser element 2. Electric power is individually supplied to the plurality of semiconductor laser elements 2 via the heat sink 3 and wires, and the individual semiconductor laser elements 2 emit laser beams. In order to obtain a high-luminance, high-output laser beam, it is necessary to combine the laser beams emitted from the individual semiconductor laser elements 2. Conventionally, an optical system for combining a plurality of laser beams is provided. As an example of such an optical system, a laser beam emitted from each of the semiconductor laser elements 2 is guided by an optical fiber, and the optical fibers are further bundled and output as a single laser beam.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional semiconductor laser device, since a plurality of semiconductor laser elements 2 are provided side by side, the width between both ends of the semiconductor laser element 2 increases as the number of semiconductor laser elements 2 increases in response to higher output. In the case where the laser beams emitted from the respective semiconductor laser elements 2 are collected by an optical fiber as a means for condensing the laser beams, an occupied space for managing the optical fibers becomes large, and the diameter of the bundled optical fibers becomes large. . For this reason, in the semiconductor laser device provided with the plurality of semiconductor laser elements 2, there is a problem that the restriction on the installation is increased and the diameter of the bundle of optical fibers becomes large, so that the laser beam and the light beam cross section become large.
[0011]
Further, as described above, in the conventional semiconductor laser device, a complicated optical system is required to bundle the laser beams emitted from the plurality of semiconductor laser elements 2 into small pieces, and when an optical fiber is used for the optical system, When the light beam passes through the optical fiber, the deflection direction originally possessed by the laser beam is broken.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor laser device that facilitates condensing light from a plurality of semiconductor laser elements and does not cause restrictions on installation.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to at least two semiconductor laser elements having opposing surfaces as electrode surfaces, a semiconductor laser element unit in which the semiconductor laser elements are stacked via an electrode surface, and the opposing surface is an electrode surface, and the semiconductor laser The present invention relates to a semiconductor laser device having a heat sink provided on both electrode surfaces of an element unit, a groove is formed in one of the heat sinks, and the semiconductor laser element unit is housed in the groove, and The other relates to a semiconductor laser device attached to the semiconductor laser element unit and attached to the one heat sink, wherein a groove is formed between the two heat sinks, and the semiconductor laser element unit is placed horizontally in the groove. The present invention relates to a semiconductor laser device in which a thermally conductive electric insulating material is provided in a gap between the groove and the semiconductor laser element unit. A semiconductor laser device in which the two heat sinks are electrically conductive materials and the two heat sinks are electrically insulated; one of the two heat sinks is an electrically insulating material; The present invention relates to a semiconductor laser device in which a through hole is formed in one of the heat sinks and an electrode is provided through the through hole, and an electrically insulating material having thermal conductivity is provided between the two heat sinks. According to the semiconductor laser device, the one heat sink is thermally connected to the other heat sink, and the other heat sink is cooled according to the semiconductor laser device, and the one heat sink is provided with the semiconductor laser element unit. The present invention relates to a semiconductor laser device in which a groove is engraved according to a shape, and also relates to a semiconductor laser device in which a member having high thermal conductivity is provided between the semiconductor laser element unit and the heat sink. Unity And a heat sink having a high thermal conductivity and a member having a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser element unit, and a temperature difference between the semiconductor laser elements. A semiconductor laser device in which the semiconductor laser element unit is cooled such that the above occurs.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
The first embodiment will be described with reference to FIG.
[0016]
The semiconductor laser element 6 is fixed to the lower heat sink 5 by soldering or the like, and the semiconductor laser elements 7 and 8 are stacked on the semiconductor laser element 6 in three stages, and the semiconductor laser elements 6, 7, and 8 are soldered or the like. Secure so that there is electrical conduction. An upper heat sink 9 is fixed to the uppermost semiconductor laser element 8 by soldering or the like so as to be electrically connected. As a material of the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9, gold, nickel, copper or the like having high thermal conductivity is used. The semiconductor laser elements 6, 7, 8 are connected in series to the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9, which are electrodes.
[0017]
A power supply unit (not shown) capable of supplying power to the semiconductor laser elements 6, 7, 8 is connected to the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9. An electronic refrigeration element (TEC) (not shown) is attached to each of the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9, and the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9 are cooled by the electronic refrigeration element.
[0018]
Electric power is supplied from the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9 to the semiconductor laser elements 6, 7, 8 so that the semiconductor laser elements 6, 7, 8 emit light. The semiconductor laser element 6 is directly cooled by the lower heat sink 5, the semiconductor laser element 8 is directly cooled by the upper heat sink 9, and the semiconductor laser element 7 is cooled by the semiconductor laser element 6 and the semiconductor laser element 8. Cooled by the heat sink 5 and the upper heat sink 9.
[0019]
Thus, the semiconductor laser elements 6, 7, 8 are cooled to a required temperature by the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9.
[0020]
The semiconductor laser elements 6, 7, 8 are in a three-tiered state in which they are in close contact with each other, and three laser beams emitted from the semiconductor laser elements 6, 7, 8 that are regularly stacked are substantially bundled when emitted. It becomes a luminous flux in the state of being set. Thus, the three laser beams are easily converted into parallel light beams by a condenser lens or the like, and a high-power laser beam having high luminance and a small beam diameter is obtained.
[0021]
The temperature of the semiconductor laser element 6 is determined by the state of cooling by the lower heat sink 5, and the temperature of the semiconductor laser element 8 is determined by the state of cooling by the upper heat sink 9. Further, since the temperature of the semiconductor laser device 7 is cooled via the semiconductor laser device 6 and the semiconductor laser device 8, it is determined by the temperature of the semiconductor laser devices 6 and 8. Therefore, by controlling the cooling state by the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9, the temperature of each of the semiconductor laser elements 6, 7, 8 can be controlled.
[0022]
Since the wavelength of the laser beam emitted from the semiconductor laser elements 6, 7, 8 is determined by the temperature of the semiconductor laser elements 6, 7, 8, the temperature of the semiconductor laser elements 6, 7, 8 is controlled. The wavelengths emitted from the semiconductor laser elements 6, 7, 8 can be controlled.
[0023]
For example, when the present semiconductor laser device is used as a light source for distance measurement, by controlling the upper and lower cooling temperatures and using laser beams having different wavelengths, coherence is reduced and measurement accuracy is improved.
[0024]
It should be noted that one of the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9 or the heat sink itself may be omitted, and cooling may be performed so that a temperature gradient occurs in the semiconductor laser elements 6, 7, and 8.
[0025]
The semiconductor laser elements 6, 7, and 8 may have different wavelengths. For example, the semiconductor laser elements 6, 7, and 8 that emit red laser light, green laser light, and blue laser light may be used as light emitting sources that emit RGB laser light.
[0026]
FIG. 2 shows an application example of the first embodiment.
[0027]
In this application example, an electric insulating member 10 having high thermal conductivity is sandwiched between the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9, and the electric insulating member 10 is brought into close contact with the side surfaces of the semiconductor laser elements 6, 7 and 8. I have. Examples of the material of the electric insulating member 10 include SiC, AlN, ceramics, epoxy resin, a member insulated with a diamond thin film, and the like.
[0028]
By providing the electric insulating member 10, heat generated from the side surfaces of the semiconductor laser elements 6, 7, 8 is transmitted to the lower heat sink 5 and the upper heat sink 9 via the electric insulating member 10, thereby further improving the cooling effect. Is increasing.
[0029]
A second embodiment will be described with reference to FIG.
[0030]
A groove 11 is formed in the lower heat sink 5, and the semiconductor laser elements 6, 7, 8 (hereinafter, referred to as a semiconductor laser element unit 12) integrated with the bottom of the groove 11 can be electrically connected by soldering or the like. Stick by method. The width of the groove 11 is larger than the width of the semiconductor laser device unit 12, and a gap is formed on both sides of the semiconductor laser device unit 12 so as to be electrically non-contact. The depth of the groove 11 is the same as the height of the semiconductor laser element unit 12.
[0031]
An electrode plate 14 is fixed to the upper surface of the lower heat sink 5 via an insulating sheet 13.
[0032]
The electrode plate 14 also serves as a heat transfer plate and a heat radiating plate, and is made of gold, nickel, copper, or the like having high thermal conductivity. The insulating sheet 13 is an electrically insulating material and is made of a material having high thermal conductivity. For example, SiC, AlN, ceramics, epoxy resin, diamond thin film, Cu-W, etc. are used. The upper heat sink 9 shown in FIG. 1 may be used as the electrode plate 14.
[0033]
A cutout 15 is provided in a portion of the insulating sheet 13 corresponding to the semiconductor laser element unit 12, and the semiconductor laser element 8 and the electrode plate 14 are connected through the cutout 15 by soldering or the like. Is done. An electronic refrigeration element is mounted on the bottom of the groove 11.
[0034]
The heat generated by the semiconductor laser element unit 12 is transmitted from the lower surface side by the lower heat sink 5, and is transmitted from the upper surface side of the semiconductor laser element unit 12 to the electrode plate 14 through the insulating sheet 13. Is transmitted to the lower heat sink 5 through the insulating sheet 13. The lower heat sink 5 is cooled by the electronic refrigeration element (not shown).
[0035]
In addition, the gap may be filled with an insulating material having high thermal conductivity, and the semiconductor laser element unit 12 may be cooled from the side.
[0036]
In the second embodiment, the electronic refrigeration element may be provided only on the lower heat sink 5.
[0037]
An application example of the second embodiment will be described with reference to FIGS.
[0038]
Instead of the insulating sheet 13 and the electrode plate 14, an insulating plate 16 made of a material having electrical insulation and high thermal conductivity is provided on the upper surface of the lower heat sink 5. A solder layer 17 is formed on the upper surface of the semiconductor laser element unit 12 so as to be in close contact with the insulating plate 16. A through hole 18 is formed in the insulating plate 16 at a position corresponding to the semiconductor laser element unit 12, the through hole 18 is filled with solder so as to be continuous with the solder layer 17, and the terminal portion 19 is further soldered. Is formed. The insulating plate 16 functions as a heat transfer member between the semiconductor laser element unit 12 and the lower heat sink 5, and the insulating plate 16 itself also functions as a heat radiating plate.
[0039]
The lower heat sink 5 and the terminal portion 19 serve as electrodes of the semiconductor laser device unit 12, and power is supplied to the semiconductor laser device unit 12 via the lower heat sink 5 and the terminal portion 19, so that the semiconductor laser device unit 12 emits light. Is done.
[0040]
Thus, the heat from the lower surface of the semiconductor laser element unit 12 is directly transmitted to the lower heat sink 5, and the heat from the upper surface of the semiconductor laser element unit 12 is transmitted via the solder layer 17 and the insulating plate 16. The light is transmitted to the lower heat sink 5, and the semiconductor laser device unit 12 is cooled via the lower heat sink 5.
[0041]
A third embodiment will be described with reference to FIG.
[0042]
The semiconductor laser element unit 12 is fixed to the lower heat sink 5, and an insulating sheet 13 having a cutout 15 formed so as not to interfere with the semiconductor laser element unit 12 is placed on the lower heat sink 5.
[0043]
An electrode plate 14 is provided so as to be in close contact with and electrically connect to the upper surface of the semiconductor laser element unit 12, and a material having high thermal conductivity (a conductive material such as a conductive material) is provided between the electrode plate 14 and the insulating sheet 13. The electrode plate 14, the spacer 21, the insulating sheet 13, and the lower heat sink 5 are integrated.
[0044]
When the spacer 21 is made of a conductive material, a gap is formed between the semiconductor laser device unit 12 and the spacer 21. When the spacer 21 is made of an insulating material, the gap between the side face of the semiconductor laser device unit 12 and the The spacer 21 is in close contact with the spacer 21.
[0045]
The electrode plate 14 is made of a conductive material. When the electrode plate 14 is soldered to the upper surface of the semiconductor laser element unit 12, the electrode plate 14 directly functions as an electrode, and a through hole 18 is formed in the electrode plate 14. Solder may be filled so as to reach the upper surface of the semiconductor laser element unit 12 from the through hole 18, and the solder may be used as a terminal of the electrode.
[0046]
In the third embodiment, when the electrode plate 14 is made of an insulating material, the insulating sheet 13 can be omitted. In this case, the through hole 18 is formed in the electrode plate 14, and the solder filled in the through hole 18 becomes a terminal of the electrode.
[0047]
7 and 8 show a fourth embodiment.
[0048]
In the fourth embodiment, a groove is formed between the lower heat sink 5 and the upper heat sink 24, and the semiconductor laser element unit 12 is formed in the groove so that the semiconductor laser elements 6, 7, and 8 are stacked in the lateral direction. It is provided.
[0049]
A step portion 22 is formed on the lower heat sink 5, an insulating sheet 23 is laid on the bottom surface of the step portion 22, and the semiconductor laser device unit 12 is placed on the insulating sheet 23. One surface of the semiconductor laser device unit 12 is brought into close contact with the side surface of the step portion 22, and the semiconductor laser device unit 12 and the lower heat sink 5 are electrically connected by soldering or the like. An upper heat sink 24 also serving as an electrode plate is provided so as to fill the remaining portion of the step 22 formed by the semiconductor laser element unit 12 and the lower heat sink 5. The upper heat sink 24 is a conductive material and is made of a material having high thermal conductivity so as to function as the upper heat sink.
[0050]
The upper surface of the lower heat sink 5, the upper surface of the semiconductor laser device unit 12, and the upper surface of the upper heat sink 24 are flush with each other, and are held over the lower heat sink 5, the semiconductor laser device unit 12, and the upper heat sink 24. The plates 25 are fixed so as to be in close contact with each other. An electronic refrigeration element (not shown) is attached to the lower surface of the lower heat sink 5. The insulating sheet 23 and the holding plate 25 are made of a material having electrical insulation and high thermal conductivity. For example, as described above, it is SiC, AlN, ceramics, epoxy resin, or the like.
[0051]
Electric power is supplied to the semiconductor laser element unit 12 via the lower heat sink 5 and the upper heat sink 24, and the semiconductor laser element unit 12 emits light.
[0052]
The heat generated from the left side in FIG. 8 of the semiconductor laser element unit 12 is directly transmitted to the lower heat sink 5, and the heat from the right side of the semiconductor laser element unit 12 is transmitted via the upper heat sink 24 and the insulating sheet 23. The heat transmitted from the lower heat sink 5 to the lower heat sink 5 via the insulating sheet 23 is transmitted to the lower heat sink 5 from the lower surface of the semiconductor laser device unit 12, and the heat from the upper surface of the semiconductor laser device unit 12 to the presser The light is transmitted to the lower heat sink 5 via the plate 25. Thus, the semiconductor laser element unit 12 is cooled from four sides.
[0053]
9 and 10 show application examples of the present invention. In order to improve the workability in stacking and fixing the semiconductor laser elements 6, 7, and 8, the semiconductor laser elements 6, 7, and The groove 26 is formed by engraving the place where 8 is fixed.
[0054]
When the semiconductor laser elements 6, 7, and 8 are fixed, soldering is usually performed, but excess solder accumulates in the groove 26 to facilitate solder processing. Further, since the reference line is used as a reference line for positioning the semiconductor laser elements 6, 7, and 8, the positioning is facilitated.
[0055]
FIG. 11 shows a positioning plate 27 provided upright in the groove 26. By providing the positioning plate 27, the semiconductor laser elements 6, 7, 8 can be stacked without lateral displacement. The positioning plate 27 is removed when the operation is completed. The positioning plate 27 may be mounted as it is. In this case, the positioning plate 27 is made of a material having electrical insulation and high thermal conductivity, and may be used instead of the electrical insulation member 10 shown in FIG.
[0056]
FIG. 12 shows still another application example of the present invention, in which the semiconductor laser element unit 12 is fixed via a heat conductive film 28 formed of a material having high heat conductivity. When the lower heat sink 5 is used as an electrode, the heat conductive film 28 further has conductivity. Examples of the material of the heat conductive film 28 include a diamond thin film, Cu-W, and AlN.
[0057]
By providing the heat conductive film 28, the thermal resistance between the lower heat sink 5 and the semiconductor laser device unit 12 is reduced, and the cooling characteristics of the semiconductor laser device unit 12 are improved. Incidentally, the heat conductive film 28 may be formed partially on the place where the semiconductor laser element unit 12 is provided, or may be formed on the entire surface of the lower heat sink 5.
[0058]
FIG. 13 shows still another application example of the present invention, in which a thermal buffer film 29 having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor laser element unit 12 is formed on the surface of the lower heat sink 5, and Are fixed via the thermal buffer film 29. Examples of the material of the thermal buffer film 29 include a diamond thin film, Cu-W, and AlN.
[0059]
The provision of the thermal buffer film 29 allows the lower heat sink 5 and the semiconductor laser element unit 12 to be mounted when the semiconductor laser element unit 12 is mounted on the lower heat sink 5 or when the semiconductor laser element unit 12 is started to be driven. The thermal stress generated in the semiconductor laser element unit 12 in a state where a temperature difference is generated therebetween is reduced. Incidentally, the thermal buffer film 29 may be formed partially at a position where the semiconductor laser element unit 12 is provided, or may be formed on the entire surface of the lower heat sink 5.
[0060]
In the present invention, when the semiconductor laser element unit 12 is pulse-driven and the amount of heat generation is not large, or when the wavelength is different between the semiconductor laser elements, cooling only one surface of the semiconductor laser element unit 12, for example, FIG. In this case, the upper heat sink 9 may be omitted. Further, a plurality of semiconductor laser units 12 may be provided side by side.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least two semiconductor laser devices having opposing surfaces as electrode surfaces, and a semiconductor laser device in which the semiconductor laser devices are stacked via an electrode surface and the opposing surface is an electrode surface Since the laser beam includes a unit and heat radiating plates provided on both electrode surfaces of the semiconductor laser element unit, the laser beam becomes a substantially bundled light beam when emitted, and has a high luminance and a small beam diameter. An output laser beam is obtained.
[0062]
Also, the one heat sink is thermally connected to the other heat sink, and the other heat sink is cooled, so that a plurality of stacked semiconductor laser elements can be cooled by one cooling device. .
[0063]
Further, since a member having high thermal conductivity is provided between the semiconductor laser element unit and the heat sink, the thermal resistance between the semiconductor laser element unit and the heat sink is reduced, and the heat radiation effect is increased.
[0064]
In addition, since a member having high thermal conductivity between the semiconductor laser element unit and the heat sink and having a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser element unit is provided, the heat radiation effect is increased and The member serves as a stress buffer, and reduces the thermal stress generated from the semiconductor laser element unit.
[0065]
Furthermore, since the semiconductor laser element unit is cooled so that a temperature difference is generated between the semiconductor laser elements, various excellent effects such as changing the wavelength of the laser beam emitted from the semiconductor laser element are exhibited. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an application example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic perspective view of a main part showing an application example of the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic front view of a main part showing an application example of the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic front view of a main part showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view showing an application example of the present invention.
FIG. 10 is a front view showing an application example of the present invention.
FIG. 11 is a front view showing another application example of the present invention.
FIG. 12 is a front view showing still another application example of the present invention.
FIG. 13 is a front view showing still another application example of the present invention.
FIG. 14 is a schematic perspective view of a conventional example.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing another conventional example.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 semiconductor laser device 5 lower heat sinks 6, 7, 8 semiconductor laser element 9 upper heat sink 10 electrical insulating member 12 semiconductor laser element unit 13 insulating sheet 14 electrode plate 16 insulating plate 24 upper heat sink 26 groove 27 positioning plate 28 heat conductive film 29 heat Buffer membrane
