JP2015130461A

JP2015130461A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2015130461A
Application number: JP2014002210A
Authority: JP
Inventors: 小島　哲夫; Tetsuo Kojima; 哲夫小島; 智毅桂; Tomotake Katsura; 今野　進; Susumu Konno; 進今野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-16

Abstract

【課題】密閉筐体の内部に設置された半導体レーザを、密閉筐体の内部の湿度を低く抑えた上で効率よく冷却し、半導体レーザの劣化を防いで高出力なレーザビームを長期間安定して発生させることができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】密閉筐体３の内部空間に半導体レーザ１が設置された半導体レーザ装置であって、半導体レーザ１が設置される設置部材２は、半導体レーザ１を冷却するための冷媒流路７を設置部材２の内部に有し、冷媒流路８ａ、８ｂの入口端部および出口端部を外部空間に有している。
【選択図】図２

Description

この発明は、密閉筐体の内部に設置された半導体レーザを、密閉筐体の内部の湿度を低く抑えた上で効率よく冷却し、半導体レーザの劣化を防いで高出力なレーザビームを長期間安定して発生させることができる半導体レーザ装置に関するものである。

従来の半導体レーザ装置では、底板、パッケージ周壁、および蓋が、パッケージ（筐体）を構成し、熱伝導率が高い材質で構成された底板の上部に、ベース、ヒートシンク、半導体レーザが、各界面を半田で接合して設置されている。ここで、ベースおよびヒートシンクには、金属等の熱伝導率が高い材質が用いられている（例えば、特許文献１の６頁８〜１３行、６頁３７〜４２行、図１を参照）。

従来の別の半導体レーザ装置では、半導体レーザは、筐体の底面上に固着されたヒートシンクの上面に取り付けられており、ヒートシンク内に形成された冷媒流路を流れる冷媒によって冷却されるようになっている。また、ヒートシンクに形成された冷媒流路の入口および出口は、筐体の底部を貫通させて設けた冷媒流路に接続されており、これらの冷媒流路のそれぞれの接続箇所には、冷媒漏洩防止用のＯリングが配置されている（例えば、特許文献２の６頁１４〜２０行、７頁１８〜２３行、図４を参照）。

特開２０１２−７０００７号公報特開２００９−２５３０７４号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１の半導体レーザ装置では、半導体レーザは、底板、ベース、および、ヒートシンクの上部に設置されている。この結果、半導体レーザは、底板、ベース、および、ヒートシンクを介して冷却されるため、冷却効率が悪く、動作時の半導体レーザの温度が高くなり、半導体レーザが劣化して寿命が短くなってしまうという課題があった。

また、特許文献２の半導体レーザ装置では、ヒートシンクの冷媒流路と筐体の冷媒流路の接続箇所が筐体の内部に配置されている。この結果、接続箇所にあるＯリングからの冷媒のスローリークにより、筐体の内部の湿度が上昇して、半導体レーザが劣化して寿命が短くなってしまうという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、密閉筐体の内部に設置された半導体レーザを、密閉筐体の内部の湿度を低く抑えた上で効率よく冷却し、半導体レーザの劣化を防いで高出力なレーザビームを長期間安定して発生させることができる半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、密閉筐体の内部空間に半導体レーザが設置された半導体レーザ装置であって、半導体レーザが設置される設置部材を更に備え、設置部材は、半導体レーザを冷却するための冷媒流路を設置部材の内部に有し、冷媒流路の入口端部および出口端部を密閉筐体の外部空間に有するものである。

この発明によれば、密閉筐体の内部に半導体レーザが設置された半導体レーザ装置において、半導体レーザが設置される設置部材は、半導体レーザを冷却するための冷媒流路を設置部材の内部に有し、冷媒流路の入口端部および出口端部を外部空間に有している。この結果、密閉筐体の内部に設置された半導体レーザを、密閉筐体の内部の湿度を低く抑えた上で効率よく冷却し、半導体レーザの劣化を防いで高出力なレーザビームを長期間安定して発生させることができる半導体レーザ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３における半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４における半導体レーザ装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５における半導体レーザ装置を示す断面図である。

以下、この発明における半導体レーザ装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置を示す斜視図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の光軸に沿った断面図である。半導体レーザ１は、ヒートシンク２上に配置されており、図示していない電極を介して半導体レーザ１に通電することにより、レーザビーム１１を出射する。ヒートシンク２は、金属などの熱伝導率の高い材質で形成されており、上部が密閉筐体３の内部空間にあり、底面が密閉筐体３の外部空間にあるように、マニホルド６上に配置されている。

密閉筐体３は、前部と上部に開口がある。密閉筐体３の前部開口は、図示していないＯリングの配置や、接着剤による接着などの方法により、窓４で密封されており、窓４を通してレーザビーム１１が半導体レーザ装置の外部に出射される。密閉筐体３の上部開口は、図示していないＯリングの配置や接着剤による接着、または、溶接などの方法により蓋５で密封されている。

また、ヒートシンク２の内部には、水などの冷媒を流すための冷媒流路７が半導体レーザ１の下部近傍を通るように設けられており、冷媒流路７内に冷媒を流すことにより半導体レーザ１を冷却するようになっている。

具体的には、ヒートシンク２内部の冷媒流路７は、ヒートシンク２の上部から２ｍｍ以内、好ましくは０．５ｍｍ以内のところを通るように設けられており、半導体レーザ１を効率よく冷却できるように構成されている。マニホルド６にも冷媒を流すための冷媒流路８Ａ、８Ｂが設けられており、ヒートシンク２の冷媒流路７とマニホルド６の冷媒流路８Ａ、８Ｂは、その間に配置されたＯリング９Ａ、９Ｂを介して接合されており、冷媒流路８Ａ、８Ｂから冷媒流路７に冷媒を通すようになっている。

なお、ここでは図示していないが、マニホルド６の冷媒流路８Ａ、８Ｂの端部のうちヒートシンク２の冷媒流路７と接合していない側の端部は、配管継ぎ手などの接合手段を介して配管チューブなどの冷媒伝送手段と接合されている。また、冷媒伝送手段は、外部の冷媒冷却、循環装置と接合されており、冷媒冷却、循環装置から冷媒を循環するようになっている。

さらに、ヒートシンク２と密閉筐体３の隙間には、密閉筐体３の内部空間と外部空間を遮断する部材としてＯリング１０が配置されており、上記窓４および蓋５とともに密閉筐体３を密封している。

このような、実施の形態１の構成によれば、密閉筐体の内部空間は、密閉筐体の外部空間から遮断されており、かつ、ヒートシンクの冷媒流路とマニホルドの冷媒流路の接合部は、密閉筐体の外部空間に存在する。このため、冷媒流路接合部のＯリングからのスローリークは、密閉筐体の外部空間で発生することになり、密閉筐体の内部空間の湿度が上昇することはない。この結果、密閉筐体の内部空間に存在する半導体レーザの劣化を防ぎ、半導体レーザを長期間、安定に動作させることができる。

また、半導体レーザの近傍に冷媒流路を設けたことから、動作時の半導体レーザの温度を低く抑えることができ、高出力なレーザビームを、長期間安定に発生させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、密閉筐体の内部に、半導体レーザが出力するレーザビームを光ファイバに結合する光学素子を備える場合でも、密閉筐体の内部の湿度を低く抑えた上で効率よく冷却し、半導体レーザおよび光学素子の劣化を防ぐことができる構成について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の光軸に沿った断面図である。図３において図２と同一の符号のものは、先の実施の形態１において示したものと同一、若しくは、相当するものである。

図３に示すレーザビーム１１は、コリメートレンズなどからなる光学素子１２と集光レンズなどからなる光学素子１３により、光ファイバ１４の端部に集光、結合されており、光ファイバ１４はレーザビーム１１を半導体レーザ装置の外部に伝送する。

光ファイバ１４は、光ファイバホルダ１５に固定されており、密閉筐体３１の前部開口は、光ファイバ１４と光ファイバホルダ１５により密封されている。ヒートシンク２１は、上部が密閉筐体３１の内部空間、底面が密閉筐体３１の外部空間にあるようにマニホルド６１上に配置されている。

密閉筐体３１の上部開口は、図示していないＯリングの配置や接着剤による接着、または、溶接などの方法により蓋５１で密封されている。

さらに、ヒートシンク２１と密閉筐体３１の隙間には、密閉筐体３１の内部空間と外部空間を遮断する部材としてＯリング１０が配置されており、上記光ファイバ１４、光ファイバホルダ１５、および、蓋５１とともに密閉筐体３１を密封している。

このような、実施の形態２の構成によれば、密閉筐体の内部空間は、密閉筐体の外部空間から遮断されており、かつ、ヒートシンクの冷媒流路とマニホルドの冷媒流路の接合部は、密閉筐体の外部空間に存在する。このため、冷媒流路接合部のＯリングからのスローリークは密閉筐体の外部空間で発生することになり、密閉筐体の内部空間の湿度が上昇することはない。この結果、密閉筐体の内部空間に存在する半導体レーザだけでなく、光学素子の劣化をも防ぎ、半導体レーザ装置を長期間、安定に動作させることができる。

なお、本実施の形態１、および先の実施の形態２においては、ヒートシンクと密閉筐体の隙間において密閉筐体の内部空間と外部空間を遮断する密閉部材としてＯリングを配置して、密閉筐体を密封する構成を例として示したが、ヒートシンクと密閉筐体の隙間を接着剤やポッティング材などの樹脂材で接着、封止しても良い。また、ヒートシンクと密閉筐体の隙間を溶接やロウ付けしても良い。要は、ヒートシンクと密閉筐体の隙間を密封するよう構成すれば、前記実施の形態１、２、および後述の実施の形態３、４、と同様の効果を奏する。

実施の形態３．
本実施の形態３では、密閉筐体の内部を除湿する除湿手段として電子除湿機を備えることにより、密閉筐体の内部の湿度を更に低く抑えることができる構成について説明する。また、密閉筐体の内部の湿度を測定する湿度センサを備え、密閉筐体の内部の湿度が予め定めた閾値を超えた場合には半導体レーザの動作を停止させる構成についても説明する。

図４は、本発明の実施の形態３における半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の光軸に沿った断面図である。図４において図２と同一の符号のものは、先の実施の形態１において示したものと同一、若しくは、相当するものである。

本実施の形態３においては、ヒートシンク２２は、密閉筐体３２の内部底面上に配置されており、ヒートシンク２２内の冷媒流路７２と、密閉筐体３２の底面部材内部の冷媒流路８２Ａ、８２Ｂとは、Ｏリング９２Ａ、９２Ｂを配置することにより、接合されており、冷媒流路８２Ａ、８２Ｂから冷媒流路７２に冷媒を通すようになっている。

なお、ここでは図示していないが、密閉筐体３２の冷媒流路８２Ａ、８２Ｂの冷媒流路７２と接合していない側の端部は、配管継ぎ手などの接合手段を介して配管チューブなどの冷媒伝送手段と接合されている。また、冷媒伝送手段は、外部の冷媒冷却、循環装置と接合されており、冷媒冷却、循環装置から冷媒を循環するようになっている。

また、密閉筐体３２の蓋５２には、開口を介して除湿手段である電子除湿機１６および湿度センサ１７が配置されており、電子除湿機１６と湿度センサ１７により、密閉筐体３２を密封するようにしている。

このような、実施の形態３の構成によれば、もし仮に、冷媒流路接合部のＯリング、または、ヒートシンクの劣化部等の隙間からスローリークが発生したとしても、電子除湿機により密閉筐体の内部空間を除湿するため、密閉筐体の内部空間の湿度が上昇することはない。この結果、密閉筐体の内部空間に存在する半導体レーザの劣化を防ぎ、長期間、安定に動作させることができることから、高出力なレーザビームを、長期間安定に発生させることができる。

更に、電子除湿機が故障した場合において、もし仮に、冷媒流路接合部のＯリング、または、ヒートシンクの劣化部等の隙間からスローリークが発生したとしても、密閉筐体内部の湿度の上昇を湿度センサにより感知できるため、半導体レーザの動作を即座に止めることができる。そして、その後電子除湿機を交換または修理することにより、密閉筐体内部の湿度を下げた状態で半導体レーザを動作できる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、密閉筐体の内部を除湿する除湿手段として乾燥剤を備えることにより、密閉筐体の内部の湿度を更に低く抑えることができる構成について説明する。

図５は、本発明の実施の形態４における半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の光軸に沿った断面図である。図５において図４と同一の符号のものは、先の実施の形態３において示したものと同一、若しくは、相当するものである。

本実施の形態４においては、密閉筐体３２の蓋５２には、開口を介して湿度センサ１７およびシリカゲルや活性炭などからなる除湿手段である乾燥剤１８を入れる密閉箱１９が密閉筐体３２を密封するように配置されており、密閉箱１９の上部は蓋２０により密閉されている。

このような、実施の形態４の構成によれば、もし仮に、冷媒流路接合部のＯリング、または、ヒートシンクの劣化部等の隙間からスローリークが発生したとしても、乾燥剤により密閉筐体の内部空間を除湿するため、密閉筐体の内部空間の湿度が上昇することはない。この結果、密閉筐体の内部空間に存在する半導体レーザの劣化を防ぎ、長期間、安定に動作させることができることから、高出力なレーザビームを、長期間安定に発生させることができる。

さらに、乾燥剤の能力が低下した場合において、もし仮に、冷媒流路接合部のＯリング、または、ヒートシンクの劣化部等の隙間からスローリークが発生したとしても、密閉筐体内部の湿度の上昇を湿度センサにより感知できるため、半導体レーザの動作を即座に止めることができる。そして、その後乾燥剤を交換することにより、密閉筐体内部の湿度を下げた状態で半導体レーザを動作できる。

また、半導体レーザの近傍に冷媒流路を設けたことから、動作時の半導体レーザの温度を低く抑えることができ、高出力なレーザビームを、長期間安定に安価に発生させることができる。

なお、上記の実施の形態１〜４においては、ヒートシンク内部の冷媒流路の形成方法について示さなかったが、溝や穴のあいた複数の部材をロウ付けや溶接により接合することにより冷媒流路を形成してもよい。また、１つの部材に複数の穴をつなげるようにあけ、不要な穴の開口をロウ付け、溶接や閉止栓により蓋をすることにより冷媒流路を形成してもよい。この場合、半導体レーザは、ヒートシンクを構成する複数の部材のうちの１つに設置される。

実施の形態５．
本実施の形態４では、半導体レーザを設置する設置部材として、ヒートシンクの代わりに、密閉筐体の一部を用いることにより、密閉筐体と設置部材とを一体化させて両者の接合部をなくし、密閉筐体外部の冷媒流路の端部からのスローリークを防止できる構成について説明する。

図６は、本発明の実施の形態５における半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の光軸に沿った断面図である。半導体レーザ１は、密閉筐体３３の内部空間に設けられた段差上の端に配置されており、図示していない電極を介して半導体レーザ１に通電することにより、レーザビーム１１を出射する。

密閉筐体３３は、金属などの熱伝導率の高い材質で形成されており、前部と上部に開口がある。密閉筐体３３の前部開口は、図示していないＯリングの配置や、接着剤による接着などの方法により、窓４で密封されており、窓４を通してレーザビーム１１が半導体レーザ装置の外部に出射される。密閉筐体３３の上部開口は、図示していないＯリングの配置や接着剤による接着、または、溶接などの方法により蓋５３で密封されている。

また、密閉筐体３３の底面部材内部には、水などの冷媒を流すための冷媒流路７３が半導体レーザ１の下部近傍を通るように設けられており、冷媒流路７３内に冷媒を流すことにより半導体レーザ１を冷却するようになっている。具体的には、密閉筐体３３の底面部材内部の冷媒流路７３は密閉筐体３３底面の上部から２ｍｍ以内、好ましくは０．５ｍｍ以内のところを通るように設けられており、半導体レーザ１を効率よく冷却できるように構成されている。

なお、ここでは図示していないが、密閉筐体３３の冷媒流路７３の端部は、配管継ぎ手などの接合手段を介して配管チューブなどの冷媒伝送手段と接合されている。また、冷媒伝送手段は、外部の冷媒冷却、循環装置と接合されており、冷媒冷却、循環装置から冷媒を循環するようになっている。

このような、実施の形態５の構成によれば、密閉筐体の内部空間は密閉筐体の外部空間から遮断されており、かつ、密閉筐体の冷媒流路の端部は密閉筐体の外部空間に存在するので、冷媒流路の端部からのスローリークは密閉筐体の外部空間で発生することになり、密閉筐体の内部空間の湿度が上昇することはない。この結果、密閉筐体の内部空間に存在する半導体レーザの劣化を防ぎ、長期間、安定に動作させることができる。

１半導体レーザ、２、２１、２２ヒートシンク、３、３１、３２、３３密閉筐体、４窓、５、５１、５２、５３、２０蓋、６、６１マニホルド、７、７１、７２、７３、８Ａ、８Ｂ、８１Ａ、８１Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ冷媒流路、９Ａ、９Ｂ、９１Ａ、９１Ｂ、９２Ａ、９２Ｂ、１０Ｏリング、１１レーザビーム、１２、１３光学素子、１４光ファイバ、１５光ファイバホルダ、１６電子除湿機、１７湿度センサ、１８乾燥剤、１９密閉箱。

Claims

密閉筐体の内部空間に半導体レーザが設置された半導体レーザ装置であって、
前記半導体レーザが設置される設置部材を更に備え、
前記設置部材は、前記半導体レーザを冷却するための冷媒流路を前記設置部材の内部に有し、前記冷媒流路の入口端部および出口端部を前記密閉筐体の外部空間に有している
半導体レーザ装置。
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
前記設置部材はヒートシンクであり、前記密閉筐体と前記ヒートシンクとの接合部の隙間には前記密閉筐体の前記内部空間を前記外部空間から密閉するための密閉部材が設けられている
半導体レーザ装置。
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
前記密閉筐体と前記設置部材とは一体構造である
半導体レーザ装置。
請求項１または３に記載の半導体レーザ装置において、
前記半導体レーザが出力するレーザビームを、前記密閉筐体の窓に設けられた光ファイバに結合する光学素子を前記密閉筐体の前記内部空間に更に備える
半導体レーザ装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
前記密閉筐体の前記内部空間を除湿する除湿手段を更に備える
半導体レーザ装置。
請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
前記除湿手段は電子除湿機である
半導体レーザ装置。
請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
前記除湿手段は乾燥剤である
半導体レーザ装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
前記密閉筐体の前記内部空間の湿度を測定する湿度センサを更に備え、
前記湿度センサが出力する前記密閉筐体の前記内部空間の湿度が予め定めた閾値を超えた場合には前記半導体レーザを停止させる
半導体レーザ装置。