JP2004128062A

JP2004128062A - レーザモジュールの冷却装置

Info

Publication number: JP2004128062A
Application number: JP2002287359A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nagano; 永野　和彦; Yoji Okazaki; 岡崎　洋二
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】複数のレーザモジュールが並列に配列されたレーザモジュールの冷却装置において、複数のレーザモジュール間において均一に温度調整する。
【解決手段】下面に複数のレーザモジュール１１がマルチモード光ファイバ１２の出射端が並列に一列に並ぶように配置されたＣｕからなる均熱板１３と、均熱板１３に接して設けられた、内部にレーザモジュール１１の並び方向に延びる水冷管１６と水冷管１６の両側に沿って薄板形状のヒートパイプ１５とが設けられたＣｕからなる構造体１４とからなるものものとする。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザモジュールの冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の冷却装置として、ペルチェ素子を用いた冷却装置が広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。ペルチェ素子による冷却方式は、高精度の温調を実現することができるが、ペルチェ素子は高価であり、しかも温調制御回路が必要となり、装置の高コスト化を招く。例えばレーザモジュールが複数並列に設置されたモジュールの場合、ペルチェ素子には大容量のものがないため複数のペルチェ素子が必要となる。このため、さらにレーザモジュールの製造コストがかかるという問題がある。また、ペルチェ素子は半導体素子で作製されるため強度が低いという問題もある。さらに、ペルチェ素子を用いると、ペルチェ素子自体の発熱により、全体としてレーザモジュールの発熱の３倍程度の発熱があり、それに対応する放熱能力が必要となる。例えば、１つの光出力が１００ｍＷのＧａＮ系半導体レーザ素子を７チップ備えたモジュールを２００個有するレーザ装置の場合、発熱量は、半導体レーザ素子の電気−光変換効率を１５％とすると、７×１００×２００×（１／０．１５−１）＝７９３Ｗにもなる。この場合、ペルチェ素子を使用したとすると、モジュールにはその３倍の２．４ｋＷもの熱が発生し、冷却には大きな水冷機構が必要となりコストの上昇を招く。
【０００３】
一方、水冷による１台のレーザ装置の冷却方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。水冷方式では、ペルチェ素子による方式に比べ、低コストでかつ構造的に経時で強度が低下することがない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−５５７１０号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平５−１３８４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば１００〜２００個の複数のレーザモジュールが並列に複数列配置されてなるレーザ装置を、レーザモジュールの並び方向に延びる水冷管によって同時に水冷温調する場合、水冷管の上流部と下流部で水温差が発生し、モジュールの温度差が発生するという問題がある。特に、ＧａＮ系半導体レーザ素子は、電気−光変換効率が１５〜２０％と低いため、発熱量が大きくなるため、高精度な温調が難しくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて、複数のレーザモジュールが並列に配置されてなるレーザモジュールを、複数のレーザモジュールにおいて均一な温度に調節することが可能なレーザモジュールの冷却装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザモジュールの冷却装置は、表面上に複数のレーザモジュールが並列して設置される均熱板と、該均熱板の内部若しくは該均熱板に近接してレーザモジュールの配列方向に延びる冷却管と、該冷却管の長手方向に沿って延びるヒートパイプとからなることを特徴とするものである。
【０００９】
ヒートパイプは、冷却管の長手方向の両側に配置されていてもよい。
【００１０】
また、ヒートパイプが薄板形状であり、表面とほぼ垂直な角度を成して配置されていることが望ましい。
【００１１】
また、レーザモジュールは、複数の半導体レーザ素子と、１本のマルチモード光ファイバと、複数の半導体レーザ素子から出射される複数のレーザビームをマルチモード光ファイバに合波する集光光学系とからなるものであってもよい。
【００１２】
また、複数のレーザモジュールは、１つのパッケージ内に収容されていてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールの冷却装置によれば、表面上に複数のレーザモジュールが並列して設置される均熱板と、該均熱板の内部若しくは該均熱板に近接してレーザモジュールの配列方向に延びる冷却管と、該冷却管の長手方向に沿って延びるヒートパイプとからなることにより、結果的に複数のレーザモジュールの温度を均一にすることができる。これにより、複数のレーザモジュールから出射されるレーザビームの出力を均一にすることができ、高い信頼性を得ることができる。
【００１４】
具体的には、ヒートパイプは、内部の作動液が、吸熱部すなわちレーザモジュール近傍で熱せられて気化し、その気体が放熱部すなわちレーザモジュールから離れた領域で凝縮することによってレーザモジュールの熱を効率良く輸送する。さらに、ヒートパイプは、レーザモジュールの配列方向に延びている構造であり、内部の気化した作動液の圧力を均一化しようと働くため、作動液が配列方向にも行き来することができるので、ヒートパイプ内部のレーザモジュール配列方向に生じた温度勾配の高い方から低い方へ熱が輸送されることとなり、複数のレーザモジュールを均一な温度に調整することができる。
【００１５】
また、ヒートパイプが、冷却管の長手方向の両側に配置された場合は、さらに熱輸送効率を上げることができる。
【００１６】
また、ヒートパイプが薄板形状であり、表面とほぼ垂直な角度を成して配置された場合は、放熱部がレーザモジュールより、さらに遠い領域に位置することとなるので、効率良く熱を輸送することができる。
【００１７】
また、レーザモジュールが、複数の半導体レーザ素子と、１本のマルチモード光ファイバと、複数の半導体レーザ素子から出射される複数のレーザビームをマルチモード光ファイバに合波する集光光学系とからなるものである場合、半導体レーザ素子の発熱量が高くモジュール全体としても発熱量が高いため、本発明を適用することは効果的である。
【００１８】
また、複数のレーザモジュールを、１つのパッケージ内に収容した場合、製造コストの削減およびメンテナンスにかかるコストあるいは時間等の削減に効果的である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置について説明する。図１に、その冷却装置の概略斜視図および側面図を示す。図２に、各要素の詳細な寸法を付した断面図を示す。
【００２１】
本実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置は、図１（ａ）に示すように、下面に複数のレーザモジュール１１がマルチモード光ファイバ１２の出射端が並列に一列に並ぶように配置されたＣｕからなる均熱板１３と、均熱板１３に接して設けられた、内部にレーザモジュール１１の並び方向に延びる水冷管１６と水冷管１６の両側に沿って薄板形状のヒートパイプ１５とを有するＣｕからなる構造体１４とからなるものである。
【００２２】
ヒートパイプ１５の内部には、作動液として純水が減圧下で封止されている。
【００２３】
また、水冷管１６には、図１（ｂ）に示すように、構造体１４の外部の水冷管１８と連結し、図示しない冷却水循環装置により、一定温度に保たれた冷却水１７が図の矢印方向に流動している。
【００２４】
図２は冷却水１７の流れ方向に垂直な断面である。図２に示すように、ヒートパイプ１５は、幅（ａ）が２ｍｍ、縦方向長さ（ｂ）が３０ｍｍの薄板形状であり、厚さ（ｈ）が４５ｍｍの構造体１４の内部であって、３ｍｍの距離（ｃ）で均熱板１３に近接する位置に、レーザモジュール１１のパッケージ（レーザ出射方向の総長さ８０ｍｍ（ｋ））の側壁から側壁まで（長さ５０ｍｍ（ｊ））に対応する領域に、各ヒートパイプ１５の中心から中心までの距離（ｇ）が２３ｍｍとなるように設けられている。
【００２５】
また、水冷管１６は、断面形状が直径（ｄ）１５ｍｍの真円であり、ヒートパイプ１５の縦側面および均熱板１３に対し、それぞれ３ｍｍの距離（ｅ）、（ｆ）で近接するように設けられている。よって、ヒートパイプ１５および水冷管１６は、均熱板１３の厚さ（ｉ）が６ｍｍであるので、レーザモジュール１１の底面に９ｍｍ（３ｍｍ＋６ｍｍ）の距離で近接している。なお、上記ヒートパイプ、水冷管等のサイズは、図２に示す値に限られるものではなく、適宜調整することが望ましい。
【００２６】
また、ヒートパイプ断面は、薄板形状に限定する必要は無く、円形あるいは楕円形でもよい。円形とする場合、その直径は、水冷管の直径以上とすることが望ましい。
【００２７】
本実施の形態による冷却装置の冷却機構について説明する。
【００２８】
ヒートパイプ１５は、内部の作動液である水が、吸熱部すなわちレーザモジュール１１近傍で熱せられて気化し、その気体が放熱部すなわちレーザモジュール１１から離れた領域で凝縮することによってレーザモジュールの熱を効率良く輸送する。さらに、ヒートパイプ１５は、レーザモジュールの配列方向、すなわち水冷管の流路方向にも延びている構造であり、作動液が流路方向にも行き来することができるため、レーザモジュールを均一に冷却することが可能となる。詳しくは、水冷管１６の水は流れ方向に沿って熱を吸収するため、流路下流側の温度が上昇する。このため、ヒートパイプの放熱部における冷却能力は、水温が低い水冷管の下流側より上流側の方が高くなる。しかし、ヒートパイプは水冷管の流路方向にも延びており、ヒートパイプ１５の吸熱部であって水冷管１６の下流側の気体は、ヒートパイプ１５の放熱部であって水冷管１６の上流側へ移動しようとすることにより、ヒートパイプ内部の蒸気圧が均一化する。この結果、水冷管１６によって生じる温度勾配をヒートパイプ１５により均一化することができ、均熱板を均一に冷却することが可能となる。
【００２９】
本実施の形態では、発熱源すなわちレーザモジュールがヒートパイプの下部に位置するものであるが、ヒートパイプの上部にレーザモジュールが配置された形態、すなわち、本実施の形態の冷却装置とレーザモジュールを逆転させた形態としてもよい。本実施の形態は、レーザモジュール１１を均熱板１３の下方に配置し、上方にヒートパイプ１５を配置することにより、吸熱部で気化した作動液は放熱部へ移動し易く、放熱部で凝固した作動液は毛細管現象に加え重力により還流が促進されるので、レーザモジュールをヒートパイプの上方に配置した形態より高い冷却効率を得ることができる。
【００３０】
本実施の形態によるレーザモジュール１１は、図３に示すように、ヒートブロック上に配列固定された一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７と、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７に対してそれぞれ設けられたコリメータレンズ３１，３２，３３，３４，３５，３６および３７と、１つの集光レンズ４３と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。
【００３１】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、電気−光変換効率が１５％であり、光出力が３０ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７は、それぞれコリメータレンズ３１，３２，３３，３４，３５，３６および３７によって平行光化される。
【００３２】
平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ４３によって集光され、マルチモード光ファイバ１２のコアの入射端面上で収束する。本例ではコリメータレンズ３１〜３７および集光レンズ４３によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバ１２とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ４３によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７がこのマルチモード光ファイバ１２のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ１２から出射する。なおマルチモード光ファイバ１２としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００３３】
レーザモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が形成する閉空間内に密閉保持される。
【００３４】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面に前記ヒートブロック２０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック２０にコリメータレンズ３１〜３７を保持するコリメータレンズホルダ４５が固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ４３を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバ１２の入射端部を保持するファイバホルダ４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００３５】
なお、図おいては、図の煩雑化を避けるために、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７のうち１つのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１およびＬＤ７にのみ番号を付し、同様にコリメータレンズ３１〜３７のうちコリメータレンズ３１および３７にのみ番号を付してある。
【００３６】
本実施の形態におけるヒートパイプ１５および水冷管１６は、Ｃｕからなる構造体に加工により容易に設けることができる。
【００３７】
本実施の形態において、レーザモジュール１個の発熱量は、１．２Ｗ｛＝３０ｍＷ×７×（１／０．１５−１）｝であので、例えば、レーザモジュールを２００個設けた場合、モジュール全体の発熱量は、２．４ｋＷにもなる。ペルチェ素子を用いた場合、さらにその３倍程度の発熱量となり、大規模な水冷機構が必要となるが、本発明によれば、小型化された高効率な冷却機構とすることができる。
【００３８】
次に、第２の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置について説明する。図４にその冷却装置の斜視図を示す。
【００３９】
本実施の形態による冷却装置は、ヒートパイプ１５と水冷管１６とが、均熱板２３の内部に設けられている点で、上記第１の実施の形態による冷却装置と異なるものであり、同様の形態についての詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施の形態は、厚さ４５ｍｍの均熱板２３の内部に、ヒートパイプ１５（２ｍｍ×長さ３０ｍｍ）と水冷管１６（直径１５ｍｍ）とがレーザモジュール１１に３ｍｍの距離で近接して設けられている。その他ヒートパイプ間の距離、ヒートパイプ１５から均熱板２３までの距離、水冷管１６から均熱板までの距離、およびヒートパイプ１５と水冷管１６との距離は、図２に示す数値と同じである。
【００４１】
本実施の形態は、上記第１の実施の形態と比較して、ヒートパイプ１５と水冷管１６が、さらにレーザモジュールに近接した構造となっているので、レーザモジュールを効率良く冷却することができ、高い信頼性を得ることができる。
【００４２】
次に、第３の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置について説明する。図５にその冷却装置の斜視図を示す。
【００４３】
本実施の形態による冷却装置は、上記第２の実施の形態と同様、ヒートパイプ１６と水冷管１５とが均熱板２３の内部に設けられており、さらに、レーザモジュール１１が均熱板２３の下部に２列にわたって配置されているものである。ヒートパイプ１５と水冷管１６とは、レーザモジュール１１の列の上部に対応する領域に設けられており、列間にはヒートパイプ１５および水冷管１６が設けられていないが、列間にも設けられていてもよい。また、均熱板全体にも設けられていてもよい。
【００４４】
また、本実施の形態には、レーザモジュールが２列に亘って配列されたものについて説明したが、３列あるいはそれ以上の列で配列されていてもよい。３列以上に亘って配列する場合、マルチモード光ファイバはパッケージからの引き出し口から曲率半径約５ｃｍでレーザモジュールの上方に引き出すか、あるいは列間で配列方向に束ねて引き出すことが望ましい。
【００４５】
上記すべての実施の形態による冷却装置において、ヒートパイプは均熱板の表面に対して垂直な方向に設けているが、垂直に限らず該表面に対して角度を有していてもよい。
【００４６】
また、ヒートパイプの作動液として純水を用いたが、メタノール、エタノール、およびアセトン等の炭化水素系、あるいはＨＣＦＣおよびＨＦＣ等の代替フロン系のうち、反応性が低く、安全性の高い物質を用いることができる。また、作動温度、構造体あるいは均熱板の材質との適合性を考慮して選択することが望ましい。
【００４７】
また、水冷管は、レーザモジュールの熱をより効率良く吸収するためにはレーザモジュールに近い程良い。また、壁面抵抗を考慮して真円形状としたが、ヒートパイプの縦方向と同方向に長い楕円形あるいは長円であってもよい。楕円形あるいは長円とすることによりヒートパイプと近接している領域を広くすることができるので、よりヒートパイプの熱輸送能力を高めることができる。また、水による冷却管を用いて説明したが、内部を空気が流動する空冷管としてもよい。
【００４８】
また、ヒートパイプは構造体あるいは均熱板の内部に設けたが、ヒートパイプを構造体あるいは均熱板から連続して外部に引き出した構造とし、放熱フィン等に連結させてもよい。
【００４９】
従来の一般の水冷管のみの冷却装置の場合、水の流路方向に熱勾配が形成され、下流側では上流側に対し水冷管の温度が上昇してしまい、複数のレーザモジュールの温度を均一に保つことができなかったが、本発明により、レーザモジュール間での温度勾配を解消して均一にレーザモジュールを温度調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置を示す斜視図および側面図
【図２】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置を示す断面図
【図３】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールの構成を示す平面図および側面図
【図４】本発明の第２の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置を示す斜視図
【図５】本発明の第３の実施の形態によるレーザモジュールの冷却装置を示す斜視図
【符号の説明】
１１　　レーザモジュール
１２　　マルチモード光ファイバ
１３，２３　　均熱板
１４　　構造体
１５　　ヒートパイプ
１６，１８　　水冷管
１７　　冷却水

Claims

表面上に複数のレーザモジュールが並列して設置される均熱板と、該均熱板の内部若しくは該均熱板に近接して前記レーザモジュールの配列方向に延びる冷却管と、該冷却管の長手方向に沿って延びるヒートパイプとからなることを特徴とするレーザモジュールの冷却装置。
前記ヒートパイプが、前記冷却管の長手方向の両側に配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュールの冷却装置。
前記ヒートパイプが薄板形状であり、前記表面とほぼ垂直な角度を成して配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザモジュールの冷却装置。
前記レーザモジュールが、複数の半導体レーザ素子と、１本のマルチモード光ファイバと、前記複数の半導体レーザ素子から出射される複数のレーザビームを前記マルチモード光ファイバに合波する集光光学系とからなるものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザモジュールの冷却装置。
前記複数のレーザモジュールが、１つのパッケージ内に収容されていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザモジュールの冷却装置。