JP2009064932A - レーザアレイ用冷却装置、レーザモジュール及びレーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザアレイの熱を均一に排熱する従来のモジュール構造では、レーザアレイの発光点の温度が均一にならなかった。
【解決手段】本発明のレーザモジュールは、複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイ２と、このレーザアレイ２を実装する冷却体３とを備える。冷却体３は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、この冷媒流路は、レーザアレイ２の実装領域におけるレーザ素子の配列方向で、レーザアレイの中央部から両端部に向けて冷媒の流れを分岐させる分岐流路２７を含んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザアレイ用冷却装置、レーザモジュール及びレーザ光源装置に関する。

高出力の半導体レーザは、高出力、高密度、波長が非常に鋭いピークを持つ事、小型といった特徴から、高効率な固体レーザの励起用光源などの産業用途として使用されている。また、更なる高出力、高集積化を実現するために、レーザダイオード等の半導体レーザ素子を１つのチップにアレイ状に並べた形態のレーザアレイも一般化している。しかし、レーザアレイは、例えば１０ｍｍ×１〜２ｍｍのチップサイズに対して出力と同程度の数十Ｗを排熱する。このため、レーザアレイは、マイクロチャネルに代表される高排熱の冷却体の上にレーザアレイを実装したレーザモジュールの形態で用いられている。

図１２は下記特許文献１に開示された従来のレーザモジュールの側断面図である。図示したレーザモジュール５１は、大きくは、レーザアレイ５２と、当該レーザアレイ５２を冷却する冷却体５３とによって構成されている。

レーザアレイ５２は、細長いバー状に形成されたチップ部材である。レーザアレイ５２は、複数の高出力半導体レーザ素子（レーザダイオード等）を有するもので、レーザ出力時に発熱体となる。

冷却体５３は、第１受熱体５４、中受熱体５５及び第２受熱体５６によって構成されている。第１受熱体５４と第２受熱体５６は、冷却体５３の中間層となる中受熱体５５を介して積層接合されている。第１受熱体５４の上面にはレーザアレイ５２が実装されている。また、第２受熱体５６の下面には、冷却液の入口開口部５７と出口開口部５８が設けられている。

図１３は図１２に示す冷却体の分解図である。中受熱体５５は、第１中受熱体５５１、第２中受熱体５５２及び第３中受熱体５５３からなる３層構造になっている。第１中受熱体５５１、第２中受熱体５５２及び第３中受熱体５５３には、それぞれ同じ位置に導入路５９が形成されている。また、第１中受熱体５５１及び第３中受熱体５５３には、それぞれ同じ位置に放熱フィン６０が形成され、第２中受熱体５５２にはスリット６１が形成されている。さらに、第３中受熱体５５３には導出路６２が形成されている。

上記構成からなる中受熱体５５は、第１中受熱体５５１と第３中受熱体５５３の間に第２中受熱体５５２を挟み込んだ状態で、それらを互いに重ね合わせることにより一体化される。また、第１中受熱体５５１の外側に第１受熱体５４を積層するとともに、第３中受熱体５５３の外側に第２受熱体５６を積層することにより、冷却体５３が一体化される。

このように冷却体５３を一体化することにより、冷却体５３の内部には、上記３層構造の中受熱体５５によって冷却液の流路６３，６４が形成される。この流路６３，６４は、冷却体５３の内部に冷却液を循環的に流すためのものである。

上記構成からなるレーザモジュール５１を駆動する場合は、冷却体５３の中受熱体５５に設けられた入口開口部５７及び出口開口部５８のうち、入口開口部５７に冷却液供給管６６を接続するとともに、出口開口部５８に冷却液排出管６７を接続する。冷却液供給管６６及び冷却液排出管６７は、図示しない冷熱源に接続されるものである。

冷熱源では、冷却液供給管６６を通して冷却体５３に供給した冷却液を、冷却液排出管６７を通して回収するとともに、当該回収した冷却液の温度を所定温度に調整し、この温調済みの冷却液を再び冷却液供給管６６を通して冷却体５３に供給することにより、冷却液を循環させる。

上記の接続状態で冷却体５３に冷却液供給管６６を通して冷却液を供給すると、冷却液は、第２受熱体５６の入口開口部５７から中受熱体５５の導入路５９を通して第１受熱体５４の下面（レーザアレイ５２が取り付けられている面と反対側の面）に導かれる。

その後、冷却液は、第１受熱体５４の下面に沿って流路６３内をレーザアレイ５２の実装位置側に流れる。さらに、冷却液は、レーザアレイ５２の実装位置の下で、中受熱体５５に形成された放熱フィン６０とスリット６１を通して第２受熱体５６側に流れ込む。第２受熱体５６側に流れ込んだ冷却液は、第２受熱体５６の上面に沿って流路６４内を流れるとともに、その途中で導入路５９の周りを迂回して導出路６２に達し、そこから出口開口部５８を通して冷却液排出管６７に排出される。

こうした冷却液の循環的な流れのなかで、レーザアレイ５２の駆動によって発生する熱は、第１受熱体５４に沿って流れる冷却液との熱交換により、第１受熱体５４や中受熱体５５の放熱フィン６０などを介して冷却液へと受け渡され、かつ当該冷却液と一緒に冷却液排出管６７へと排出される。

冷却液の流路６３は、レーザアレイ５２の幅（長手寸法）と同等の幅まで広がっている。このため、スリット６１を通過した冷却液は、レーザアレイ５２の裏面から均一に熱を受け取る仕組みになっている。また、冷却体５３を構成する第１受熱体５４、中受熱体５５及び第２受熱体５６は、いずれも熱伝導の高い銅などの薄板を用いて構成される。このため、冷却体５３の熱抵抗は非常に小さく、しかも放熱フィン６０がエッチングやプレスなどで精密かつ狭ピッチで加工形成されているため、熱交換率が非常に高いものとなる。

特開２００４−３３５６５３号公報

しかしながら、上記従来のレーザモジュール５１においては、レーザアレイ５２の全幅に対して冷却液を均一に供給するように、冷却体５３内の流路６３，６４を形成しているため、レーザアレイ５２の長手方向に温度勾配が生じやすいという欠点があった。さらに詳述すると、レーザアレイ５２の長手方向には複数の半導体レーザ素子が一定の間隔で並んでいるため、レーザアレイ５２を駆動した場合は、特に発光点の隣接によって放熱が抑制されるレーザアレイ５２の中央部に熱が集中しやすくなる。したがって、冷却体５３に供給される冷却液との熱交換によってレーザアレイ５２の熱を均一に吸い取っても、レーザアレイ５２の中央部が両端部よりも高温になる。その結果、レーザアレイ５２の長手方向に温度勾配が生じてしまう。特に、最近はレーザアレイ５２の高出力化の要求から、個々の発光点の高出力化と狭ピッチ化が盛んに検討され、これに伴ってレーザアレイ５２の部位ごとの温度格差が顕著になりつつある。

これに対して、レーザアレイ５２を構成する個々の半導体レーザ素子の発振周波数（波長）は、温度に依存して変化する。すなわち、温度が高くなると、半導体レーザ素子の発振周波数は低くなり、反対に温度が低くなると、半導体レーザ素子の発振周波数は高くなる。このため、発光点が隣接し熱が集中して高温になるレーザアレイ５２の中央部の発光点からは相対的に長い波長のレーザ光が出射され、両端部（中央部よりも低温）の発光点からは相対的に短い波長のレーザ光が出射される。その結果、例えば、レーザアレイ５２からのレーザ光の照射によって固体レーザを励起する場合は、レーザアレイ５２から出射されるレーザ光の一部が固体レーザの吸収波長を逸脱し、励起効率が低下してしまうことになる。

本発明に係るレーザアレイ用冷却装置は、複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイを実装する冷却体を備え、前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含むものである。

本発明に係るレーザモジュールは、複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイと、
前記レーザアレイを実装する冷却体とを備え、前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含むものである。

本発明に係るレーザ光源装置は、複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイと、前記レーザアレイを駆動する駆動手段と、前記レーザアレイを実装する冷却体とを備え、前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含むものである。

本発明に係るレーザアレイ用冷却装置、レーザモジュール及びレーザ光源装置においては、冷却体の内部に冷媒流路の一部として分岐流路を形成し、この分岐流路によって冷媒をレーザアレイの中央部から両端部に向けて流すことにより、発光による熱が集中しやすいレーザアレイの中央部では相対的に温度が低い冷媒で熱交換が行なわれ、発光による熱が集中しにくいレーザアレイの両端部では相対的に温度が高い冷媒で熱交換が行なわれるようになる。このため、

本発明によれば、従来よりもレーザアレイの発光点の温度を均一化して、レーザ出力波長の狭スペクトル化を実現することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示すもので、図中（Ａ）は当該レーザ光源装置の上面図、（Ｂ）は当該レーザ光源装置の側面図、（Ｃ）は当該レーザ光源装置の下面図である。

レーザ光源装置１は、レーザアレイ２と、このレーザアレイ２を冷却する冷却体３と、レーザアレイ２を駆動する駆動回路を搭載した駆動基板４と、レーザアレイ２を駆動するための電流を供給する電源５とを備えた構成となっている。このうち、レーザアレイ２と冷却体３は、本発明におけるレーザモジュールを構成するものである。

レーザアレイ２は、複数の半導体レーザ素子（不図示）を一定の間隔で一方向に並べた細長いバー状（略直方体状）のチップ部材である。複数の半導体レーザ素子は、レーザアレイ２の長手方向に並んでいる。このため、半導体レーザ素子の配列方向（並び方向）には、複数の半導体レーザ素子と同じ間隔で複数の発光点（レーザ光の出射部）が並んだ構造となる。各々の発光点は、レーザアレイ２の長辺側の一端面に横一列に並んで配列される。レーザアレイ２は、レーザモジュールやこれを含むレーザ光源装置の用途により、例えば複数の高出力半導体レーザ素子（レーザダイオード等）を用いて構成される。また、レーザアレイ２は、駆動基板４とともに冷却体３に実装されている。

冷却体３は、本発明におけるレーザアレイ用冷却装置を構成するものである。レーザアレイ用冷却装置は、冷却体３だけで構成してもよいし、この冷却体３に配管等を介して接続される冷熱源（不図示）との組み合わせで構成してもよい。冷却体３は、熱的には高い熱伝導性を有し、電気的には高い導電性を有するものである。

冷却体３の一方の面は受熱面６となっており、この受熱面６にレーザアレイ２と駆動基板４が実装されている。冷却体３の受熱面６は、レーザアレイ２で発生した熱を直接受け取る面である。また、冷却体３の他方の面には入口開口部７と出口開口部８設けられている。入口開口部７は、図示しない冷熱源で生成された冷媒を冷却体３の内部に取り込むための開口（孔）である。出口開口部８は、入口開口部７から冷却体３の内部に取り込まれた冷媒を、図示しない冷熱源に戻すために冷却体３の外部に排出するための開口（孔）である。

本発明の実施形態においては、冷媒の一例として、冷却液（例えば、冷却水）を用いることとする。

図２は図１に示す冷却体を構成する各層の受熱体の構造を示す平面図であって、図中（Ａ）は第１受熱体１１の構造、（Ｂ）は第２受熱体１２及び第３受熱体１３の構造、（Ｃ）は第４受熱体１４の構造をそれぞれ示している。各々の受熱体１１〜１４の短手方向の中心線Ｋは、それらを積層して一体化したときに、互いに重なり合って同一線上に位置するものとなる。

冷却体３は、第１受熱体１１、第２受熱体１２、第３受熱体１３及び第４受熱体１４からなる４層の積層体で構成されている。各々の受熱体１１〜１４の平面的な外形は、いずれも長手寸法と短手寸法が共通の矩形状となっている。各々の受熱体１１〜１４は、例えば厚さ０．５ｍｍの薄板状の部材であって、熱伝導率の高い金属材料、例えば無酸素銅を用いて構成されている。このうち、第２受熱体１２、第３受熱体１３及び第４受熱体１４は、例えば、薄い銅板をウェットエッチングによって所望の形状（パターン）に加工することにより、１回のエッチング工程で多数個取りが可能であるため、大量生産に好適である。

第１受熱体１１は、平面視矩形状の平らな薄板であって、一方の面を上記受熱面６としている。第１受熱体１１の受熱面６にはレーザアレイ２を実装するための実装領域９が設定されている。したがって、レーザアレイ２は、受熱面６の実装領域９に合わせて冷却体３に実装される。より具体的には、レーザアレイ２の実装領域９は第１受熱体１１の一方の短辺側の端縁部に沿って設定され、この実装領域９に導電性ペーストを用いてレーザアレイ２が実装されている。そして、この実装状態の下で、レーザアレイ２のｐ（＋）面は、第１受熱体１１の受熱面６に熱的かつ電気的に接続されている。

レーザアレイ２の実装に用いる導電性ペーストとしては、例えば、高融点で信頼性の高い金−スズ系又はスズ系のはんだペーストを用いることが好ましい。また、冷却体３の表面には、当該冷却体３を一体化した後、レーザアレイ２のはんだ実装性を向上させるため、ニッケル−金メッキを施すことが好ましい。

こうして冷却体３に実装されたレーザアレイ２と駆動基板４の間には複数本の金属ワイヤ（例えば、金ワイヤ）１５が架け渡されている。金属ワイヤ１５は、レーザアレイ２と駆動基板４とを電気的に接続するものである。金属ワイヤ１５は、レーザアレイ２に設けられた複数の半導体レーザ素子に対して、駆動電流を供給するためのものである。金属ワイヤ１５の一端はレーザアレイ２のｎ（−）面に形成された金製のｎ電極に接続され、金属ワイヤ１５の他端は駆動基板４上に形成された電流供給用のマイナス電極に接続されている。金属ワイヤ１５が接続される駆動基板４の表面には、予めＴｉ（チタン）−Ｐｔ（白金）−Ａｕ（金）が蒸着されている。

一方、第４受熱体１４には、上述した入口開口部７と出口開口部８が設けられている。入口開口部７は、円形に形成されている。出口開口部８は、仕切り部１０で仕切られた半月型の孔を２つ組み合わせることで、全体として円形に形成されている。各々の開口部７，８は、いずれも第４受熱体１４を貫通する状態に形成されている。また、入口開口部７の中心は、第４受熱体１４の短手方向の中心線Ｋ上に位置し、出口開口部８の中心となる仕切り部１０も、入口開口部７と同じ中心線Ｋ上に位置している。

第２受熱体１２及び第３受熱体１３は、互いに全く同じ形状に形成されている。したがって、ここでは第２受熱体１２の構造を代表として説明する。第２受熱体１２は、例えば一様な厚さを有する薄い金属製の板（本形態例では銅板）をウェットエッチングによって所定の形状（パターン）に加工することにより得られるものである。

第２受熱体１２は、当該第２受熱体１２の外形に沿う外枠部２１と、この外枠部２１に囲まれた領域内に設けられた中子部２２と、外枠部２１と中子部２２をつなぐ支持部２３とを一体に有している。外枠部２１、中子部２２及び支持部２３は、互いに同じ厚みで形成されている。外枠部２１で囲まれた領域内は、中子部２２及び支持部２３を除いて、すべてウェットエッチング等でくり抜かれている。冷却体３の内部では、このくり抜き部分が、冷媒（本形態例では冷却液）を流すための冷媒流路となる。

中子部２２には中心軸Ｋに沿ってＵ字形の切り欠き溝２４が形成され、この切り欠き溝２４の両側が二股状の流路形成部２５となっている。第２受熱体１２の短手方向において、各々の流路形成部２５は、それぞれに対応する長辺側の外枠部２１との間に、後述する迂回流路の流路幅相当の間隔を隔てて対向する状態に配置されている。また、第２受熱体１２の長手方向において、各々の流路形成部２５の端部は、短辺側の外枠部２１との間に、後述する分岐流路の流路幅相当の間隔を隔てて対向する状態に配置されている。分岐流路の流路幅は、レーザアレイ２の実装領域９の短手寸法と同等の寸法に設定されるものである。

支持部２３は、細長いバー状（リード状）に形成されている。支持部２３は、外枠部２１の内側に配置された中子部２２を支持するものである。支持部２３は、第２受熱体１２の中心軸Ｋ上に形成されている。支持部２３の一端部は外枠部２１に接続され、支持部２３の他端部は中子部２２に接続されている。支持部２３の外径（太さ）は、上記仕切り部１０の外径と同一寸法に設定されている。

このような構造の第２受熱体１２を、当該第２受熱体１２と同一形状の第３受熱体１３に重ね合わせ、さらに第２受熱体１２側に第１受熱体１１を、第３受熱体１３側に第４受熱体１４を重ね合わせて、それらの積層体に高い圧力を印加しつつ、高温下で拡散接合することにより、冷却体３が一体化される。

こうして冷却体３（受熱体１１〜１４）を一体化した状態では、第４受熱体１４の入口開口部７が、第２受熱体１２の切り欠き溝２４の奥側（底部）に配置されるとともに、第４受熱体１４の出口開口部８を構成する２つ（一対）の半月孔が、第２受熱体１２の支持部２３を挟む位置関係で当該支持部２３の両側に配置される。

また、第３受熱体１３の内部には、第１受熱体１１と第４受熱体１４の間（対向部分）に、第２受熱体１２と第３受熱体１３の形状にしたがって冷媒流路が形成される。この冷媒流路は、図３に示すように、主として、導入流路２６、分岐流路２７及び迂回流路２８によって構成されている。導入流路２６は、入口開口部７を通して取り込まれる冷媒の流れをレーザアレイ２の実装領域９側に導くものである。

分岐流路２７は、導入流路２６によって導かれた冷媒の流れをレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて分岐させるものである。導入流路２６の終端部は分岐流路２７の入口部分に接続され、この入口部分で冷媒の流れが一方と他方に分岐するようになっている。分岐流路２７による冷媒の分岐位置（すなわち、分岐流路２７の入口部分）は、レーザアレイ２の実装領域９における半導体レーザ素子の配列方向で、レーザアレイ２の中心部に設定されている。このため、分岐流路２７は、レーザアレイ２の実装領域９において、半導体レーザ素子の配列方向の中心位置となる中心線Ｋを基準に左右対称（線対称）に形成されている。

分岐流路２７は、冷却体３を第１受熱体１１側から見たときに、図４に示すように、レーザアレイ２の実装領域９のほぼ真下に配置される。この場合、導入流路２６の流路幅で規定される分岐流路２７の入口部分（分岐部分）の幅Ｗ１は、実装領域９に実装されるレーザアレイ２の長手寸法Ｌ１の４３％以下に設定するのが好ましい。また、レーザ発振方向における分岐流路２７の幅Ｗ２は、実装領域９に実装されるレーザアレイ２の短手寸法Ｌ２の１５５％以下設定することが好ましい。

迂回流路２８は、分岐流路２７によって分岐させた冷媒の流れを迂回させて出口開口部８へと導くものである。冷却体３の内部には、独立した２本の迂回流路２８が形成されている。各々の迂回流路２８の入口部分は、それぞれに対応する分岐流路２７の終端部に接続されている。また、各々の迂回流路２８の終端部は支持部２３で閉じられている。

なお、冷却体３の構成として、第１受熱体１１と第４受熱体１４との間に、まったく同じ形状の受熱体１２，１３を介在させて、全体的に４層の構造とした理由は、銅等の金属板をエッチングで加工できる板厚に限界があり、真ん中が１層だけの構造では所望の流路高さを確保できないためである。したがって、冷却体３の積層構造としては、上述した４層の構造に限らず、５層以上の多層構造であってもよい。

駆動基板４は、第１受熱体１１の受熱面６内で、レーザアレイ２の実装領域９から所定の距離を隔てた位置に実装されている。駆動基板４は、レーザアレイ２の長手寸法と同等の長手寸法を有する平面視矩形状の回路基板であって、レーザアレイ２と平行な向きで実装されている。駆動基板４は、例えば、表裏面の絶縁のためにセラミック基板を用いて構成され、第１受熱体１１の受熱面６に対しては、例えばエポキシ系の接着剤を用いて接着固定されている。駆動基板４は、電源５から供給される電流を、レーザアレイ２の各々の半導体レーザ素子に分配して供給するものである。

電源５は、レーザアレイ２の駆動に必要な電流を供給するものである。電源５のマイナス端子は、マイナス配線２９を介して駆動基板４に電気的に接続されている。また、電源５のプラス端子は、プラス配線３０を介して冷却体３の表面（第４受熱体１４の外側面）に電気的に接続されている。この電源５は、上述した駆動基板４とともに、本発明における駆動手段を構成するものである。

上記構成からなるレーザ光源装置においては、電源５から駆動基板４を通してレーザアレイ２の各々の各半導体レーザ素子に駆動電流を供給することにより、レーザアレイ２の各々の発光点からレーザ光が同時に出射される。このとき、発熱体となるレーザアレイ２を冷却するために、冷却体３の入口開口部７には図示しない冷媒供給管を接続し、冷却体３の出口開口部８には図示しない冷媒排出管を接続する。

冷媒供給管及び冷媒排出管は、図示しない冷熱源に接続されるものである。冷熱源では、冷媒供給管を通して冷却体３に供給した冷媒（本形態例では冷却液）を、冷媒排出管を通して回収するとともに、当該回収した冷媒の温度を所定温度に調整し、この温調済みの冷媒を再び冷媒供給管を通して冷却体３に供給することにより、冷媒を循環させる。

上記の接続状態で冷却体３に冷媒供給管を通して冷却液を供給すると、冷却液は、第４受熱体１４の入口開口部７から冷却体３内に取り込まれて冷媒流路（２６，２７，２８）を流れた後、第４受熱体１４の出口開口部８から冷媒排出管へと排出される。このとき、冷却体３内での冷却液の流れを矢印で示すと上記図３のようになる。

まず、第４受熱体１４の入口開口部７から取り込まれた冷却液は、導入流路２６に沿って流れた後、分岐流路２７の分岐位置に到達する。分岐流路２７の分岐位置では、冷却液の流れが左右二手に分岐する。このため、分岐流路２７の分岐位置で分岐した冷却液は、分岐流路２７に沿ってレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて流れる。

ここで、冷却体３内の分岐流路２７は、冷却体３の受熱面６に実装されているレーザアレイ２の下方（ほぼ真下）に位置している。また、レーザアレイ２の熱は、第１受熱体１１に素早く伝わる。このため、レーザアレイ２の駆動によって発生する熱は、図５に示すように、レーザアレイ２の下（分岐流路２７）を流れる冷却液との熱交換により、冷却液へと受け渡される。したがって、分岐流路２７の途中では、第１受熱体１１を介して伝えられるレーザアレイ２の熱を受け取りながら、冷却液がレーザアレイ２の中心部から両端部に向かって流れる。このため、レーザアレイ２から第１受熱体１１に伝わった熱は、冷却液（冷媒）の流れにしたがってレーザアレイ２の中央部から両端部に向けて排熱される。なお、図５は、図１のＤ−Ｄ位置での断面構造を模式的に示している。

その後、冷却液は、分岐流路２７の終端部から迂回流路２８へと流れ込む。こうして迂回流路２８に流れ込んだ冷却液は、中子部２２を迂回するように迂回流路２８に沿って流れた後、迂回流路２８の終端部で第４受熱体１４の出口開口部８から冷媒排出管へと排出される。

こうした冷却液の循環的な流れのなかで、レーザアレイ２の駆動によって発生する熱は、主として分岐流路２７を流れる冷却液との熱交換により、冷却液へと受け渡され、かつ当該冷却液と一緒に冷媒排出管へと排出される。

本発明の第１実施形態においては、入口開口部７から冷却体３内に取り込まれた冷却液が、分岐流路２７に案内されてレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて流れる。このとき、冷却液はレーザアレイ２からの熱を順次受け取りながら流れる。このため、分岐流路２７の終端部に到達した冷却液の温度は、分岐流路２７の入口部分に到達した冷却液の温度よりも高くなる。したがって、レーザアレイ２の中央部では相対的に温度が低い冷却液で熱交換を行ない、レーザアレイ２の両端部では相対的に温度が高い冷却液で熱交換を行なうことになる。

これに対して、レーザアレイ２の駆動によって発生する熱は、半導体レーザ素子の配列方向で、レーザアレイ２の両端部よりも中心部に集中しやすくなる。このため、発光による熱が集中しやすいレーザアレイ２の中央部では相対的に温度が低い冷却液で熱交換を行ない、発光による熱が集中しにくいレーザアレイ２の両端部では相対的に温度が高い冷却液で熱交換を行なうことにより、レーザアレイ２の長手方向で各発光点の温度を均一化することができる。したがって、レーザアレイ２を駆動した場合に、各発光点の温度差による発振周波数のずれを小さく抑えることができる。その結果、レーザアレイ２の各々の半導体レーザ素子から均一な波長でレーザ光を出射させることが可能となり、レーザアレイ２全体でレーザ出力波長の狭スペクトル化が図られる。

図６は分岐流路２７を流れる冷却水の温度とレーザアレイ２の発光点の温度の関係を示す図である。図において、エミッタ番号は、レーザアレイ２の長手方向における発光点の位置を示している。そして、エミッタ番号で１０番の位置が、レーザアレイ２の長手方向の中心位置となっている。この図からも分かるように、分岐流路２７を流れる冷却水の温度（冷媒温度）は、レーザアレイ２の中央部から両端部に向かって２０℃から２５℃の範囲で徐々に上昇しているが、レーザアレイ２の各発光点の温度は、当該レーザアレイ２の長手方向全域にわたってほぼ一定の温度（３２度付近）に維持されている。

＜第２実施形態＞
図７は本発明の第２実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示すもので、図中（Ａ）は当該レーザ光源装置の上面図、（Ｂ）は当該レーザ光源装置の側面図、（Ｃ）は当該レーザ光源装置の下面図である。この第２実施形態においては、上記第１実施形態と同様の構成部分に同じ符号を付して説明する。

この第２実施形態においては、上記第１実施形態と比較して、特に、冷却体３の構成が異なっている。すなわち、上記第１実施形態においては、冷却体３が４層の構造となっているが、本第２実施形態においては、冷却体３が第１受熱体３１と第２受熱体３２からなる２層の構造となっている。

冷却体３の一方の面は受熱面３３となっており、この受熱面３３にレーザアレイ２と駆動基板４が実装されている。冷却体３の受熱面３３は、レーザアレイ２で発生した熱を直接受け取る面である。また、冷却体３の他方の面には入口開口部３４と出口開口部３５が設けられている。入口開口部３４は、図示しない冷熱源で生成された冷媒を冷却体３の内部に取り込むための開口（孔）である。出口開口部３５は、入口開口部３４から冷却体３の内部に取り込まれた冷媒を、図示しない冷熱源に戻すために冷却体３の外部に排出するための開口（孔）である。

図８は図７に示す冷却体を構成する各層の受熱体の構造を示す平面図であって、図中（Ａ）は第１受熱体３１の構造、（Ｂ）は第２受熱体３２の構造をそれぞれ示している。各々の受熱体３１，３２の短手方向の中心線Ｋは、それらを積層して一体化したときに、互いに重なり合って同一線上に位置するものとなる。

各々の受熱体３１，３２の平面的な外形は、いずれも長手寸法と短手寸法が共通の矩形状となっている。また、各々の受熱体３１，３２は、例えばセラミックス又は炭素を用いて構成されている。各々の受熱体３１，３２の材料として、セラミックス又は炭素を用いた場合は、冷却体３の腐食耐性が向上し、信頼性を高めることができる。また、機械加工（切削加工等）で冷却体３を作製することができるため、エッチング等で作製する場合に比較して、冷却体３の内部構造を精密に形成することができる。このため、冷却性能のばらつきが小さく、製品歩留まりが高くなる。また、冷却体３の積層数が最少の２層となっているため、部品点数が少なく、低コスト化に好適である。

第１受熱体３１は、平面視矩形状の平らな薄板であって、一方の面を上記受熱面３３としている。第１受熱体３１の受熱面３３にはレーザアレイ２を実装するための実装領域３６が設定されている。また、この実装領域３６を含めて、第１受熱体３１の受熱面３３には、当該受熱面３３に導電性を持たせるために、例えばニッケル−金メッキが施されている。これに対して、レーザアレイ２は、受熱面３３の実装領域３６に合わせて冷却体３に実装される。より具体的には、レーザアレイ２の実装領域３６は第１受熱体３１の一方の短辺側の端縁部に沿って設定され、この実装領域３６に導電性ペーストを用いてレーザアレイ２が実装されている。そして、この実装状態の下で、レーザアレイ２のｐ（＋）面は、第１受熱体３１の受熱面３３に熱的かつ電気的に接続されている。また、電源５のマイナス端子は、マイナス配線２９を介して駆動基板４に電気的に接続され、電源５のプラス端子は、プラス配線３０を介して冷却体３の受熱面３３（メッキ処理面）に電気的に接続されている。

一方、第２受熱体３２には、上述した入口開口部３４と出口開口部３５が設けられている。入口開口部３４及び出口開口部３５は、それぞれ円形に形成されている。各々の開口部３４，３５は、いずれも第２受熱体３２を貫通する状態に形成されている。また、入口開口部３４の中心は、第２受熱体３２の短手方向の中心線Ｋ上に位置し、出口開口部３５の中心も、入口開口部３４と同じ中心線Ｋ上に位置している。

第２受熱体３２は、当該第２受熱体３２の外径に沿う外枠部３７と、この外枠部３７に囲まれた領域内に設けられた中子部３８と、一対の分岐フィン３９とを一体に有している。外枠部３７、中子部３８及び分岐フィン３９は、互いに同じ厚みで形成され、入口開口部３４及び出口開口部３５を除く他の部分は、外枠部３７、中子部３８及び分岐フィン３９よりも一段凹んだ状態で形成されている。冷却体３の内部では、この凹み部分が、冷媒（本形態例では冷却液）を流すための冷媒流路となる。

外枠部３７の一部は、出口開口部３５に向かって傾斜する傾斜部３７Ａを形成している。これに対して、中子部３８の一部も、出口開口部３５に向かって傾斜する傾斜部３８Ａを形成している。これらの傾斜部３７Ａ，３８Ａは、後述する迂回流路の一部を形成するもので、互いに平行な向きで形成されている。

また、中子部３８には中心軸Ｋに沿ってＵ字形の切り欠き溝４０が形成され、この切り欠き溝４０の両側が二股状の流路形成部４１となっている。切り欠き溝４０の奥側（底部）には上述した入口開口部３４が配置されている。第２受熱体３２の短手方向において、各々の流路形成部４１は、それぞれに対応する長辺側の外枠部３７との間に、後述する迂回流路の流路幅相当の間隔を隔てて対向する状態に配置されている。また、第２受熱体３２の長手方向において、各々の流路形成部４１の端部は、短辺側の外枠部３７との間に、後述する分岐流路の流路幅相当の間隔を隔てて対向する状態に配置されている。分岐流路の流路幅は、レーザアレイ２の実装領域３６の短手寸法と同等の寸法に設定されるものである。

一対の分岐フィン３９は、分岐流路を流路幅方向で２分割するように略Ｌ字形に形成されている。各々の分岐フィン３９は、分岐流路の入口部分から終端部にわたって冷媒の流れに沿うように形成されている。また、一対の分岐フィン３９は、レーザアレイ２の実装領域３６において、半導体レーザ素子の配列方向の中心位置となる中心線Ｋを基準に左右対称（線対称）に形成されている。分岐フィン３９の一端と他端は、それぞれ角部を面取りした状態の、いわゆる面取り形状に形成されている。

このような構造の第２受熱体３２に対して、例えば銀−銅ロウを用いて第１受熱体３１を接合することにより、冷却体３が一体化される。こうして冷却体３（受熱体３１，３２）を一体化した状態では、第２受熱体３２の形状にしたがって冷却体３の内部に冷媒流路が形成される。この冷媒流路は、図９に示すように、導入流路４２、分岐流路４３及び迂回流路４４によって構成されている。導入流路４２は、入口開口部３４を通して取り込まれる冷媒の流れをレーザアレイ２の実装領域３６側に導くものである。

分岐流路４３は、導入流路４２によって導かれた冷媒の流れをレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて分岐させるものである。導入流路４２の終端部は分岐流路４３の入口部分に接続され、この入口部分で冷媒の流れが一方と他方に分岐するようになっている。分岐流路４３による冷媒の分岐位置（すなわち、分岐流路４３の入口部分）は、レーザアレイ２の実装領域３６における半導体レーザ素子の配列方向で、レーザアレイ２の中心部に設定されている。このため、分岐流路４３は、レーザアレイ２の実装領域３６において、半導体レーザ素子の配列方向の中心位置となる中心線Ｋを基準に左右対称（線対称）に形成されている。

分岐流路４３は、冷却体３を第１受熱体３１側から見たときに、レーザアレイ２の実装領域３６のほぼ真下に配置される。分岐流路４３の幅については、上記第１実施形態の条件と同様に設定することが望ましい。

迂回流路４４は、分岐流路４３によって分岐させた冷媒の流れを迂回させて出口開口部３５へと導くものである。冷却体３の内部には、独立した２本の迂回流路４４が形成されている。各々の迂回流路４４の入口部分はそれぞれに対応する分岐流路４３の終端部に接続されている。また、各々の迂回流路４４の終端部には、上述した出口開口部３５が配置されている。

上記構成からなるレーザ光源装置においては、電源５から駆動基板４を通してレーザアレイ２の各々の各半導体レーザ素子に駆動電流を供給することにより、レーザアレイ２の各々の発光点からレーザ光が同時に出射される。このとき、発熱体となるレーザアレイ２を冷却するために、冷却体３の入口開口部３４には図示しない冷媒供給管を接続し、冷却体３の出口開口部３５には図示しない冷媒排出管を接続する。

上記の接続状態で冷却体３に冷媒供給管を通して冷却液を供給すると、冷却液は、第２受熱体３２の入口開口部３４から冷却体３内に取り込まれて冷媒流路（４２，４３，４４）を流れた後、第２受熱体３２の出口開口部３５から冷媒排出管へと排出される。このとき、冷却体３内での冷却液の流れを矢印で示すと上記図９のようになる。

まず、第２受熱体３２の入口開口部３４から取り込まれた冷却液は、導入流路４２に沿って流れた後、分岐流路４３の分岐位置に到達する。分岐流路４３の分岐位置では、冷却液の流れが、一対の分岐フィン３９により、左右２系統ずつの計４系統に分岐するとともに、当該分岐した冷却液が、分岐流路２７に沿ってレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて流れる。

ここで、冷却体３内の分岐流路４３は、冷却体３の受熱面３３に実装されているレーザアレイ２の下方（ほぼ真下）に位置している。また、レーザアレイ２の熱は、第１受熱体３１に素早く伝わる。このため、レーザアレイ２の駆動によって発生する熱は、レーザアレイ２の実装領域３６の下（分岐流路４３）を流れる冷却液との熱交換により、冷却液へと受け渡される。したがって、分岐流路４３の途中では、第１受熱体３１を介して伝えられるレーザアレイ２の熱を受け取りながら、冷却液がレーザアレイ２の中心部から両端部に向かって流れる。このため、レーザアレイ２から第１受熱体３１に伝わった熱は、冷却液（冷媒）の流れにしたがってレーザアレイ２の中央部から両端部に向けて排熱される。

その後、上述のように左右２系統ずつに分岐した冷却液は、分岐流路４３の終端部で合流し、迂回流路４４へと流れ込む。こうして迂回流路４４に流れ込んだ冷却液は、中子部３８を迂回するように迂回流路４４に沿って流れた後、迂回流路４４の終端部で第２受熱体３２の出口開口部３５から冷媒排出管へと排出される。

こうした冷却液の循環的な流れのなかで、レーザアレイ２の駆動によって発生する熱は、主として分岐流路４３を流れる冷却液との熱交換により、冷却液へと受け渡され、かつ当該冷却液と一緒に冷媒排出管へと排出される。

本発明の第２実施形態においては、入口開口部３４から冷却体３内に取り込まれた冷却液が、分岐流路４３に案内されてレーザアレイ２の中心部から両端部に向けて流れる。このため、上記第１実施形態と同様の理由により、レーザアレイ２の長手方向で各発光点の温度を均一化し、発振周波数のずれを小さく抑えることができる。また、導入流路４２によって分岐流路４３に導かれる冷却液の流れを、一対の分岐フィン３９で４系統に分岐させることにより、上記第１実施形態よりも高い熱交換率でレーザアレイ２の熱を排出することができる。

すなわち、一対の分岐フィン３９を設けた場合は、分岐流路４３の入口部分や終端部で冷却液の乱流が発生する。また、導入流路４２から分岐流路４３への導かれた冷却液が、一対の分岐フィン３９に接触しつつ分岐流路４３内を流れるため、分岐流路４３において、第１受熱体３１と冷却液との接触面積が広く確保される。この結果、レーザアレイ２からの熱を受け取る第１受熱体３１と分岐流路４３を流れる冷却液との間の熱交換率を向上させることができる。

また、各々の分岐フィン３９の端部を面取り形状又はラウンド形状に形成すれば、分岐流路４３で冷却液の乱流が発生しやすくなる。さらに、分岐フィン３９の近傍に配置される流路形成部４１の端部コーナー部についても、面取り形状又はラウンド形状に形成することで、より乱流が発生しやすいものとなる。

図１０は温度計で測定した各発光点の温度分布の測定結果を示す図である。この測定においては、従来例、第１実施形態及び第２実施形態の各構成につき、同一ロットのウエハから切り出した均一な波長をもつ高出力で、発光点間隔が狭ピッチのレーザアレイを使用してレーザモジュールを作製した。図において、エミッタ番号は、レーザアレイ２の長手方向における発光点の位置を示している。そして、エミッタ番号で１０番の位置が、レーザアレイ２の長手方向の中心位置となっている。また、エミッタ温度は、各々のエミッタ番号に対応する発光点の温度を示している。

この図から分かるように、従来例（図１２、図１３参照）の構成を採用した場合は、発光点の温度が、レーザアレイの中央部で約３４．５℃、レーザアレイの両端部で約３２℃で、その差は２．５℃となっている。これは、隣接する発光点の温度上昇が大きく影響し、発光点温度に分布ができたためである。

これに対して、上記第１実施形態の構成を採用した場合は、発光点の温度が、レーザアレイの中央部で約３４．２℃、レーザアレイの両端部でも低い方で約３４．１℃、高い方で約３４．２℃で、その差は最大で約０．１℃となっている。これは、分岐流路でレーザアレイ２の中央部から両端部に向けて冷媒を流すことで、各発光点の温度を実質的に均一にした結果である。

第２実施形態の構成を採用した場合は、レーザアレイの中央部と両端部で、いずれも約３２．１℃で、上記第１実施形態よりも２℃ほど低温となっている。これは、分岐フィン３９の存在によって熱交換率が向上した結果である。また、第１実施形態と比較すると、発光点温度のばらつきが小さくなっているが、これは機械加工によって精密に分岐フィン３９と分岐流路４３を形成できたためと思われる。

図１１はレーザアレイの発振波長の比較図であり、図中（Ａ）は従来例、（Ｂ）は第１実施形態、（Ｃ）は第２実施形態に対応している。図１１（Ａ）〜（Ｃ）においては、それぞれ縦軸にレーザ出力強度、横路にレーザ発振波長をとっている。

まず、従来例の構成を採用した場合は、図１１（Ａ）に示すように、レーザアレイの発振波長の半値全幅が３．６ｎｍで、双山に分かれている。これは高出力化に伴い、隣接した発光点の熱の相互作業が増大したことに起因している。

一方、第１実施形態の構成を採用した場合は、図１１（Ｂ）に示すように、レーザアレイの半値全幅が２．２ｎｍで、従来例よりも狭くなっている。また、第２実施形態の構成を採用した場合は、図１１（Ｃ）に示すように、レーザアレイの半値全幅が１．６ｎｍで、第１実施形態よりも狭くなっており、ピーク波長が短波長化している。

なお、上記第２実施形態においては、一対の分岐フィン３９を形成することにより、分岐流路で冷媒の流れを計４系統に分岐させるものとしたが、これに限らず、分岐フィンの数を増やすことで、冷媒の流れを６系統又はそれ以上に分岐させることも可能である。

また、本発明は、レーザアレイ２を構成する各々のレーザ素子の発振波長（色調）に関係なく、例えば青色レーザなどを含めて、様々な発振波長をもつレーザアレイ２の排熱を行なうものに広く適用可能である。また、本発明に係るレーザ光源装置は、例えば固体レーザの励起用光源やレーザ加工機用の光源として適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。 図１に示す冷却体を構成する各層の受熱体の構造を示す平面図である。 冷却体の内部に形成される媒体流路を示す平面図である。 レーザアレイと分岐流路の位置関係を示す図である。 図１のＤ−Ｄ位置での断面構造を模式的に示す図である。 分岐流路を流れる冷却水の温度とレーザアレイの発光点の温度の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ光源装置の概略構成を示す図である。 図７に示す冷却体を構成する各層の受熱体の構造を示す平面図である。 冷却体の内部に形成される冷媒流路を示す平面図である。 各発光点の温度分布の測定結果を示す図である。 レーザアレイの発振波長の比較図である。 従来のレーザモジュールの側断面図である。 図１２に示す冷却体の分解図である。

符号の説明

１…レーザ光源装置、２…レーザアレイ、３…冷却体、４…駆動基板、５…電源、９，３６…実装領域、２６，４２…導入流路、２７，４３…分岐流路、２８，４４…迂回流路、３９…分岐フィン

Claims (7)

1. 複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイを実装する冷却体を備え、
   前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、
   前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含む
   ことを特徴とするレーザアレイ用冷却装置。
2. 前記冷却体は、前記分岐流路の入口部分で前記冷媒の流れを２系統以上に分岐させる分岐フィンを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザアレイ用冷却装置。
3. 前記分岐流路は、前記レーザアレイの実装領域において、前記レーザ素子の配列方向の中心位置を基準に対称に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザアレイ用冷却装置。
4. 前記分岐フィンの端部を面取り形状又はラウンド形状に形成してなる
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザアレイ用冷却装置。
5. 前記冷却体を金属、セラミックス又は炭素で構成してなる
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザアレイ用冷却装置。
6. 複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイと、
   前記レーザアレイを実装する冷却体とを備え、
   前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、
   前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含む
   ことを特徴とするレーザモジュール。
7. 複数のレーザ素子を配列してなるレーザアレイと、
   前記レーザアレイを駆動する駆動手段と、
   前記レーザアレイを実装する冷却体とを備え、
   前記冷却体は、冷媒を流すための冷媒流路を内部に有し、
   前記冷媒流路は、前記レーザアレイの実装領域における前記レーザ素子の配列方向で、前記レーザアレイの中央部から両端部に向けて前記冷媒の流れを分岐させる分岐流路を含む
   ことを特徴とするレーザ光源装置。

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