JP2008004752A - レーザ結晶実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】固体レーザ装置等に適用されるレーザ結晶の放熱効果を保ちつつ、レーザ結晶内の温度分布を小さくした、新規なレーザ結晶実装構造を提供する。固体レーザ装置等に適用される。
【解決手段】コア部とこれをガイドするクラッド部でなるレーザ結晶を、コア部の底面で接合材を介してヒートシンクに接合させ、それ以外の結晶底面の領域をコア部底面とは熱伝達の度合いを異ならせる。例えば、結晶底面の領域は空気層に接しているかあるいはコア部底面及びコア部近傍底面とは熱伝達の度合いを異ならせてヒートシンクに接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ励起による固体レーザ装置に関し、特にそのレーザ結晶実装構造に関する。

最近、固体レーザに対し、レーザプリンタやレーザスキャンディスプレイ、プロジェクタ等に使用する目的から、レーザ装置の小型化が要求され、半導体レーザ（以下ＬＤと表現する場合あり）励起の高出力小型固体レーザが開発されている。例えば、特許文献１（本願明細書添付の図１４参照）や特許文献２（添付の図１５参照）にみられるように、レーザ結晶を薄型化し、レーザ結晶側面方向（共振器による発光光軸に対し垂直あるいは垂直に近い角度方向）からレーザ結晶にＬＤ光を入射させ励起して、レーザ結晶近傍あるいはレーザ結晶に近接した共振器によりレーザ光を発する構成が、放熱効果が優れているため、採用され始めている。このようにレーザ結晶から得られたレーザ出力をさらに波長変換素子を通すことにより希望の波長のレーザを得ることができる。

特許第３５０３５８８号公報 特開２００４−３５６４７９号公報

しかし、これら既存の構成は、放熱効果が優れているとはいえ、励起部分とそれ以外の部分の温度差が大きくなり、その影響で励起部分の温度分布ができやすくなるという欠点も持っている。温度分布の温度差が大き過ぎると、温度によって屈折率が変わるため横モードが悪くなりビーム品質の劣化が起こる。このため波長変換効率が低下し、出力が低下してしまう。

図１６は従来の固体レーザ装置要部の構成を示し、図１６（ａ）はヒートシンクに実装されたレーザ結晶の鳥瞰図、図１６（ｂ）は側面図、図１６（ｃ）は図１６（ａ）のA-A断面の熱分布を表している。なお、説明に使用する図は説明をわかりやすくするため、誇張したり、一部省略して描いてある。

図１６（ａ）において、レーザ結晶（１）はコア部（２）とクラッド部（３）から構成されており、レーザ結晶（１）は、ほぼ底面全面にある高熱伝導率の接合材（５）によってヒートシンク（４）に実装されている。ヒートシンク（４）は図示していない冷却手段で冷却されている。レーザ結晶（１）の側面方向から励起用ＬＤ光（１０）が入射し、クラッド部（３）を通ってコア部（２）に達し、コア部（２）でレーザ発振して矢印方向にレーザ光が出て行く。

上述構成を採った実際の装置の一例の場合、レーザ結晶から必要なレーザ光出力（３０W）を取り出すためにはおよそ１０Ｗの発熱が生じることとなる。このときのレーザ結晶内の熱分布を、実測を元に計算して表したものが図１６（ｃ）である。

発熱によるレーザ結晶内の温度の上限は、レーザ結晶の信頼性維持の観点から200℃以下にすることが望ましい。図１６（ｃ）に示している従来例はこの条件を満たしており、最高温度は180℃以下になっている。しかしながら、コア内の発振方向に垂直な方向（図の左右方向）の温度差があると、出力は出るが横モードが悪くなるため波長変換効率が下がって波長変換後のレーザ光出力が下がってしまう。図１６（ｃ）でいうと楕円内（１１）の部分であり、温度分布の等温線が大きく曲がってしまっているため、横モードが悪い。

このように温度分布の温度差が大き過ぎると、温度によって屈折率が変わるため横モードが悪くなりビーム品質の劣化が起こる。このため波長変換効率が低下し、出力が低下してしまう。

理想的な温度分布は、図１７（ａ）に示した、ヒートシンク（４）上に実装したコア部分だけのレーザ結晶（１）の場合であり、図１７（ｂ）のように、等温線が平行になる。しかしながら、最高温度が300℃近くになるため、出力の低下が起こったり横モードが悪くなったりする。なお、図１７（ｂ）は図を見やすくするためにレーザ結晶（１）と接合材（５）を離して描いてあり、実際は図１７（ａ）のように繋がっている。

このようなことから、半導体レーザ励起型固体レーザ装置においては、最高温度は200℃以下にし、発振方向に対し垂直方向の温度分布の等温線をできるだけ平行に近い状態にすることが望ましい。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、レーザ結晶の放熱効果を保ちつつ、レーザ結晶内の温度分布を小さくした、固体レーザ装置の新規なレーザ結晶実装構造を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が熱伝導率の良い接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、前記接合材とレーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で接合されており、該接合部以外の結晶底面の領域は空気層に接しているかあるいはコア部底面及びコア部近傍底面とは熱伝達の度合いを異ならせてヒートシンクに接合されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で接合材と接合されており、それ以外の結晶底面はコア部底面及びコア部近傍底面とは熱伝達の度合いを変化させて接合しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができる。

請求項２記載の発明は、半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が熱伝導率の良い接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、前記接合材とレーザ結晶がコア部の底面で接合されており、該接合部以外の結晶底面の領域は、コア部底面とは熱伝達の度合いを変化させてヒートシンクに接合されていることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、レーザ結晶がコア部の底面で接合されており、それ以外の結晶底面は、コア部底面とは熱伝達の度合いを変化させて接合しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面領域が、コア部底面を接合している接合材の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい接合材でヒートシンクに接合されていることを特徴とする。この発明によれば、コア部底面以外の底面が、コア部底面を接合している接合材の熱伝導率よりも小さい接合材で接合されているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項４記載の発明は、請求項２に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面領域が、熱伝導率の異なる複数の接合材でヒートシンクに接合されていることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面が、熱伝導率の違う複数の接合材で接合されているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。また、請求項５記載の発明は、請求項４に記載のレーザ結晶実装構造において、前記複数の接合材の熱伝導率がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする。接合材の熱伝導率がコア部から離れるほど小さくなっているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項６記載の発明は、請求項２に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面領域が、接合材で部分的に接触するようにヒートシンクに接合していることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面が、接合材で部分的に接触するように接合しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項７記載の発明は、請求項６に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面領域で、部分的に離散して複数箇所でヒートシンクに接合し、接合する周期のピッチがコア部から離れるほど大きくなっていることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面で、部分的に接合するピッチがコア部から離れるほど大きくなっているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。また、請求項８記載の発明は、請求項６に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面領域で、部分的にヒートシンクに接合する面積がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面で、部分的に接合する面積がコア部から離れるほど小さくなっているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項９記載の発明は、請求項２に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面をヒートシンクまでの距離が、コア部底面に対するヒートシンクまでの距離より長くなるように接合していることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面に対するヒートシンクまでの距離が、コア部底面及びコア部近傍底面に対するヒートシンクまでの距離より長くなるように接合しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。また、請求項１０記載の発明は、請求項９に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面をヒートシンクまでの距離が、コア部から離れるほど長くなるように接合していることを特徴とする。コア部底面及びコア部近傍底面以外の底面で、底面に対するヒートシンクまでの距離が、コア部から離れるほど長くなるように接合しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項１１記載の発明は、半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が接合材を介して部分的にヒートシンクに接している固体レーザ装置において、レーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で冷却媒体と接触していることを特徴とする。この発明によれば、レーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で冷却媒体と接触しているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項１２記載の発明は、半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が部分的に接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、レーザ結晶がコア部の底面で冷却媒体と接触しており、それ以外の結晶底面の領域はコア部底面とは熱伝達の度合いを変化させていることを特徴とする。この発明によれば、レーザ結晶がコア部の底面で冷却媒体と接触しており、それ以外の底面はコア部底面とは熱伝達の度合いを変化させているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項１３記載の発明は、請求項１２に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面の領域は、部分的に離散して複数箇所で冷却媒体と接触し、接触するピッチがコア部から離れるほど大きくなっていることを特徴とする。コア部底面以外の底面で、部分的に冷却媒体と接触するピッチがコア部から離れるほど大きくなっているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

請求項１４記載の発明は、請求項１１に記載のレーザ結晶実装構造において、コア部底面以外の結晶底面の領域は、部分的に冷却媒体と接触し、接触する面積がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする。コア部底面以外の底面で、部分的に冷却媒体と接触する面積がコア部から離れるほど小さくなっているので、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

本発明に係るレーザ結晶実装構造によれば、固体レーザ装置でのレーザ結晶の放熱効果を保ちつつ、レーザ結晶内の温度分布を小さくすることが可能になる。一部の発明では、更に、レーザ結晶の姿勢も安定する効果も併せて得られる。

本発明は、半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起される部分と半導体レーザをガイドする部分が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面は熱伝導率の良い接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、前記接合材とレーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で接合されており、それ以外の底面は、熱伝達の度合いを変えていることを特徴とし、また前記接合材とレーザ結晶がコア部の底面で接合されており、それ以外の底面は、接合材を変えたり、接合材の接触面積を変えたり、冷却媒体の接触面積を変えたりして、コア部底面とは熱伝達の度合いを変えていることを特徴とするレーザ結晶実装構造である。

ここで、先ず、本発明の適用も可能な、半導体レーザ励起型固体レーザ装置の構成の一例を図１に示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図を表わしている。この固体レーザ装置は、ＲＧＢ用半導体レーザを同一基板上に配置し、レーザ結晶の側面から入射させて発振させる構成を採っている。

図示のように、全体ベース（３７）上の両側に、ＬＤ部分であるＬＤベース（２２）上に配置したＬＤアレイ（２１）、コリメータレンズ（２３）、コリメータレンズベース（２４）、フォーカスレンズベース（３３）およびフォーカスレンズ（３２）を配置し、中央部にはヒートシンク（４）上に配置したレーザ結晶（１）および図示していない固定用ベースに固定された波長変換素子（３６）が配置されている。

ＬＤアレイ（２１）から発せられたＬＤ光はコリメータレンズ（２３）によってコリメートされ、フォーカスレンズ（３２）を通って、レーザ結晶（１）に入射してレーザ結晶を励起し、レーザ結晶から出射されるレーザ光が波長変換素子（３６）に入射し、希望の波長のレーザ光を得るようになっている。

本発明ではこの種の半導体レーザ励起型固体レーザ装置において、レーザ結晶の放熱効果を保ちつつ、レーザ結晶内の温度分布を小さく改善する構成を提案する。例えば上記の例示構成のレーザ装置において、最高温度を200℃以下に保持しつつ、従来よりも温度分布を改善するようにしている。

〔第１実施形態〕
以下、本発明について実施の形態を示し、図面に従って説明する。図２は本発明の第１の実施形態の説明図であり、図２（ａ）はヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図であり、図２（ｂ）はその断面の温度分布図である。なお、図２（ｂ）は図を見やすくするためにレーザ結晶（１）と接合材（５）を離して描いてあり、実際は図２（ａ）のように繋がっている。

図２（ａ）において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部とその近傍部（１２）に位置した高熱伝導率の接合材（５）を介してヒートシンク（４）に設置されている。図２（ｂ）に示した温度分布を見てみると、最高温度は200℃未満になり、図１６（ｂ）の従来例よりも楕円内（１１）の等温線の曲がりが少ないことがわかる。このように、コア部（２）の底面部とその近傍部（１２）だけに高熱伝導率の接合材を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができる。

〔第２実施形態〕
図３は本発明の第２の実施形態の説明図であり、図３（ａ）はヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図であり、図３（ｂ）はその断面の温度分布図である。第１実施形態と同等部分には同一の符号を付してある（以後の各実施形態においても同様）。なお、図３（ｂ）は図を見やすくするためにレーザ結晶（１）と接合材（５）を離して描いてあり、実際は図３（ａ）のように繋がっている。図３（ａ）に示すようにこの実施形態では、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側に高熱伝導率接合材（５）よりも熱伝導率の小さい接合材（６）が配置してあり、それらの接合材を介してヒートシンク（４）に設置されている。図３（ｂ）の温度分布を見てみると、最高温度は200℃未満になり、図１６（ｂ）の従来例よりも楕円内（１１）の等温線の曲がりが少ないことがわかる。しかも、構造的にもレーザ結晶のコア部や近傍部だけでなく、レーザ結晶の全体に近い面積で接合しているため、レーザ結晶の姿勢も安定する利点もある。このように、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側にそれよりも小さい熱伝導率の接合材を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第３実施形態〕
図４は本発明の第３の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図４に示すようにこの実施形態では、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側に高熱伝導率接合材（５）よりも熱伝導率の小さい接合材（６）、（７）、（８）が配置してあり、それらの接合材を介してヒートシンク（４）に設置されている。接合材（６）、（７）、（８）は熱伝導率が違い、その関係は（６）＞（７）＞（８）である。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側にそれよりも小さい熱伝導率の接合材を複数設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第４実施形態〕
図５は本発明の第４の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図５において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側にほぼ同一ピッチで部分的に接合材（５）が配置してあり、それらの接合材を介してヒートシンク（４）に設置されている。このような構成にすると先の図３（ｂ）で示した温度分布とほぼ同じようになる。

このように、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側に同一ピッチで部分的に接合材を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第５実施形態〕
図６は本発明の第５の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図６において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側に外側に行くほどピッチが大きくなるように部分的に接合材（５）が配置してあり、それらの接合材を介してヒートシンク（４）に設置されている。このような構成にすると先の図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側に外側に外側に行くほどピッチが大きくなるように接合材を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第６実施形態〕
図７は本発明の第６の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図７において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側に外側に行くほど面積が小さくなるように部分的に接合材（５）が配置してあり、それらの接合材を介してヒートシンク（４）に設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側に外側に行くほどピッチが大きくなるように接合材を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第７実施形態〕
図８は本発明の第７の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図８において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側はレーザ結晶（１）とヒートシンク（４ａ）の距離が離れるように段差を設けて接合材（５）を介してヒートシンク（４ａ）に設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布とほぼ同じようになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側はレーザ結晶（１）とヒートシンク（４ａ）の距離が離れるように段差を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第８実施形態〕
図９は本発明の第８の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図９において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に高熱伝導率の接合材（５）があり、さらにその外側は外側に行くほどレーザ結晶（１）とヒートシンク（４ｂ）の距離が離れるように複数の段差を設けて接合材（５）を介してヒートシンク（４ｂ）に設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部（１２）に高熱伝導率の接合材を設け、さらにその外側は外側に行くほどレーザ結晶（１）とヒートシンク（４ｂ）の距離が離れるように複数の段差を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、また、レーザ結晶の姿勢も安定する。

〔第９実施形態〕
図１０は本発明の第９の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図１０において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部とその近傍部（１２）に冷却媒体と接触可能な流路（９）があり、さらにその外側は接合材（１３）が設置されている。このような構成にすると図２（ｂ）で示した温度分布とほぼ同じようになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部に冷却媒体と接触可能な流路（９）を設けその外側は高熱伝導率な接合材（５）を設置することで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。さらに流量コントロールにより熱伝達の度合いを所望のものにアクティブにコントロールできる。

〔第１０実施形態〕
図１１は本発明の第１０の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図１１において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に冷却媒体と接触可能な流路（９）があり、さらにその外側は冷却媒体と接触可能な流路（９）が設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布とほぼ同じようになる。

このように、コア部（２）の底面部に冷却媒体と接触可能な流路（９）を設け、その外側にも冷却媒体と接触可能な流路（９）を設けることで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布を改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。さらに流量コントロールにより熱伝達の度合いをアクティブにコントロールできる。

〔第１１実施形態〕
図１２は本発明の第１１の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図１２において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に冷却媒体と接触可能な流路（９）があり、さらにその外側は冷却媒体と接触可能な複数の流路（９）が外側に行くほどピッチが大きくなるように設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部に冷却媒体と接触可能な流路（９）を設け、さらにその外側は外側に行くほど流路の設置ピッチが大きくなるように配置することで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。さらに流量コントロールにより熱伝達の度合いをアクティブにコントロールできる。

〔第１２実施形態〕
図１３は本発明の第１２の実施形態を説明する、ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である。図１３において、コア部分（２）とクラッド部分（３）で構成されたレーザ結晶（１）は、コア部（２）の底面部に冷却媒体と接触可能な流路（９）があり、さらにその外側は冷却媒体と接触可能な複数の流路（９）が外側に行くほど接触面積が小さくなるように設置されている。このような構成にすると図３（ｂ）で示した温度分布より変化が緩やかになる。

このように、コア部（２）の底面部とその近傍部（１２）に冷却媒体と接触可能な流路（９）を設け、さらにその外側は外側に行くほど接触面積が小さくなるように設置することで、最高温度を200℃以下に保持しつつ、温度分布をさらに改善することができ、レーザ結晶の姿勢も安定する。さらに流量コントロールにより熱伝達の度合いをアクティブにコントロールできる。

以上説明したように、本発明を使用することにより、レーザ結晶の放熱効果を保ちつつ、レーザ結晶内の温度分布を小さくすることをできる。一部の発明では、更に、レーザ結晶の姿勢も安定する効果も併せて得ることができている。

以上、本発明を述べてきたが、高熱伝導率接合材は一般的な半田やAuSn半田、インジウム、インジウム銀等の金属や、銀フィラーやカーボンファイバなどが入った高熱伝導接着剤、高熱伝導樹脂で良く、またその組み合わせでも良い。冷却媒体は水などの液体で良い。またいうまでもないが、各実施例で述べた技術思想はそれぞれ独立して実施するのみでなく、互いに組み合わせて適用しても良い。

さらに、従来例、実施例等ではレーザ結晶の側面から励起用半導体レーザ光を入射させて励起させていたが、本発明は、レーザ結晶への励起用半導体レーザ光をレーザ結晶表面から入射させて励起する構造の固体レーザ装置にも使用できることはいうまでもない。

本発明が適用可能な、半導体レーザ励起型固体レーザ装置の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明第１実施形態のヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図、断面の温度分布図である。 第２実施形態のヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図、断面の温度分布図である。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第３実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第４実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第５実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第６実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第７実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第８実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第９実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第１０実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第１１実施形態）。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図である（第１２実施形態）。 公知の高出力小型固体レーザの説明図である。 公知の他の高出力小型固体レーザの説明図である。 従来の固体レーザ装置要部の構成を示し、（ａ）はヒートシンクに実装されたレーザ結晶の鳥瞰図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はA-A断面の熱分布を表している。 ヒートシンクに実装したレーザ結晶の側面図、断面の温度分布図である。

符号の説明

1：レーザ結晶
2：コア部
3：クラッド部
4：ヒートシンク
4a〜4f：ヒートシンク
5〜8：高熱伝導接合材（熱伝導率の大きさの関係：5＞6＞7＞8）
9：流路
10：励起用ＬＤ光
11：コア-クラッド境界付近
12：コア部近傍底部
13：接合材
21：ＬＤアレイ
22：ＬＤアレイベース
23：コリメータレンズ
24：コリメータレンズベース
32：フォーカスレンズ
33：フォーカスレンズベース
36：波長変換素子
37：全体ベース

Claims (14)

1. 半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が熱伝導率の良い接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、
   前記接合材とレーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で接合されており、該接合部以外の結晶底面の領域は空気層に接しているかあるいはコア部底面及びコア部近傍底面とは熱伝達の度合いを異ならせてヒートシンクに接合されていることを特徴とするレーザ結晶実装構造。
2. 半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が熱伝導率の良い接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、
   前記接合材とレーザ結晶がコア部の底面で接合されており、該接合部以外の結晶底面の領域は、コア部底面とは熱伝達の度合いを変化させてヒートシンクに接合されていることを特徴とするレーザ結晶実装構造。
3. コア部底面以外の結晶底面領域が、コア部底面を接合している接合材の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい接合材でヒートシンクに接合されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶実装構造。
4. コア部底面以外の結晶底面領域が、熱伝導率の異なる複数の接合材でヒートシンクに接合されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶実装構造。
5. 前記複数の接合材の熱伝導率がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ結晶実装構造。
6. コア部底面以外の結晶底面領域が、接合材で部分的に接触するようにヒートシンクに接合していることを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶実装構造。
7. コア部底面以外の結晶底面領域で、部分的に離散して複数箇所でヒートシンクに接合し、接合する周期のピッチがコア部から離れるほど大きくなっていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ結晶実装構造。
8. コア部底面以外の結晶底面領域で、部分的にヒートシンクに接合する面積がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ結晶実装構造。
9. コア部底面以外の結晶底面をヒートシンクまでの距離が、コア部底面に対するヒートシンクまでの距離より長くなるように接合していることを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶実装構造。
10. コア部底面以外の結晶底面をヒートシンクまでの距離が、コア部から離れるほど長くなるように接合していることを特徴とする請求項９に記載のレーザ結晶実装構造。
11. 半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が接合材を介して部分的にヒートシンクに接している固体レーザ装置において、
    レーザ結晶が少なくともコア部の底面の面積よりも大きい面積かつレーザ結晶全体の底面より小さい面積で冷却媒体と接触していることを特徴とするレーザ結晶実装構造。
12. 半導体レーザにより励起されるレーザ結晶を有しており、レーザ結晶は半導体レーザによって励起されるコア部と半導体レーザをガイドするクラッド部が分かれており、レーザ結晶のレーザ出力光を出す反対側の面である結晶底面が部分的に接合材を介してヒートシンクに接している固体レーザ装置において、
    レーザ結晶がコア部の底面で冷却媒体と接触しており、それ以外の結晶底面の領域はコア部底面とは熱伝達の度合いを変化させていることを特徴とするレーザ結晶実装構造。
13. コア部底面以外の結晶底面の領域は、部分的に離散して複数箇所で冷却媒体と接触し、接触するピッチがコア部から離れるほど大きくなっていることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ結晶実装構造。
14. コア部底面以外の結晶底面の領域は、部分的に冷却媒体と接触し、接触する面積がコア部から離れるほど小さくなっていることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ結晶実装構造。
    

Images