JP2015153963A - ヒートシンク及びこれを備えた半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能に優れたヒートシンク及びこれを備えた半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】厚さＴ1の第１の層２０ａ、第１の層２０ａに接合され厚さＴ2の第２の層３０ａ、第２の層３０ａに接合され厚さＴ3の第３の層２０ｂ、第３の層２０ｂに接合され厚さＴ4の第４の層２０ｃ、第４の層２０ｃに接合され厚さＴ5の第５の層２０ｄ、第５の層２０ｄに接合され厚さＴ6の第６の層３０ｂ、第６の層３０ｂに接合され厚さＴ7の第７の層２０ｅを有し、第１、３、４、５、７の層が銅で、第２、６の層がタングステンであり、Ｔ1＝Ｔ7、Ｔ2＝Ｔ6、Ｔ3＝Ｔ5であり、比γ＝Ｔ1／Ｔ2が０．１≰γ≰０．２４で、０．０３ｍｍ≰Ｔ1≰０．０７ｍｍであり、熱膨張係数が６．８ｐｐｍ／Ｋ以上、７．２ｐｐｍ／Ｋ以下であり、冷却される素子搭載面が第１の層２０ａで、第３の層２０ｂから第７の層２０ｅの各層を冷却液が流れる通路部４０が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子アレイの冷却に用いるヒートシンク及びこれを備えた半導体レーザ装置に関する。

発熱を伴う半導体レーザ素子は、その性能を保つために、例えば水冷式のヒートシンクに搭載されて冷却される。水冷式のヒートシンクは、例えば、複数の金属層等から形成されており、その内部に水路が形成され、使用時には水路を冷却水が流れる。ただし、ヒートシンクに半導体レーザ素子を搭載する実装時には、搭載面付近が３００℃以上の高温に加熱されるため、半導体レーザ素子に反り変形が生じるおそれがある。したがって、半導体レーザ素子の変形、搭載面からの脱離、性能の劣化等を防止するためには、ヒートシンクの熱膨張係数が半導体レーザ素子を構成する主要成分の熱膨張係数に近い値となるように、ヒートシンクを構成する金属材料の種類および層構造を決めなければならない。

複数の金属層から形成される従来のヒートシンクとしては、例えば、「複合材ヒートシンクとその製造方法」と題する特許文献１に複合材ヒートシンクが開示されている。

特許文献１に開示される複合材ヒートシンクは、ヒートシンク基材とその表面に形成されたコーティング層とから構成された各々３層構造の上側ヒートシンク及び下側ヒートシンクを板状の中間部材の表裏両面に接合して、７層構造の複合材ヒートシンクとしている。この複合材ヒートシンクは、ヒートシンク基材の表面をヒートシンク基材よりも軟らかい被覆材で形成し、この被覆材を切削加工又は研磨加工して、その上にコーティング層を被覆し、最上面のコーティング層を半導体載置面としている。この複合材ヒートシンクは、ヒートシンク基材がモリブデン、モリブデン系合金、タングステン、タングステン系合金、半導体（ＳｉＣなどの高熱伝導率かつ低熱膨張率材）又はセラミック材であり、コーティング層を銅又はニッケルとすることができる。中間部材はＣｕ板材であり、中間部材の上面に上側ヒートシンクが半田付けによって固定され、中間部材の下面に下側ヒートシンクが半田付けによって固定されている。ここで、上下に２個中間材に対して面対称に配置するのは、全体の熱膨張差に起因する応力に基づく曲がりを補償（相殺）するためである。また、中間材の厚さを変えることで、ヒートシンクの総厚を変更することができる。

特開２００８−１４０８７７号公報

従来より、溶接、切断、穴あけ、溶着、改質などの材料加工には高出力のレーザ加工機が多く用いられている。高出力タイプのレーザ加工機は、励起用の光源として、エミッタ（発光部）を一次元的に複数配置した半導体レーザ素子アレイ、あるいは一次元の半導体レーザ素子アレイを複数積層して複数のエミッタ（発光部）を二次元的に配置した半導体レーザ素子スタックを用いている。

レーザ加工に用いられる高出力レーザは、そのビーム品質が加工精度を大きく左右する。高出力レーザを用いて微細な加工を可能とするためには、励起光源である半導体レーザ素子アレイ（または半導体レーザ素子スタック）から出射されるレーザビームのビーム品質が高いこと、すなわち、レーザビームスポットの光強度分布が単峰性分布であること、集光性に優れてビームスポット径を微小に絞れること、ビーム中心にパワー密度を集中することができて大きいパワー密度が得られること、発光スペクトルが単峰性分布でスペクトル幅が狭いことが、必須の要件となる。従って、半導体レーザ素子アレイを構成する複数の発光素子（レーザダイオード）の各々が安定に動作して高品質のレーザビームを発生し、安定かつ高性能な励起光源となることが求められる。

上記のような発光素子を安定に動作させるには、発光素子の発光時の発熱による温度上昇を抑制するヒートシンク（冷却装置）が重要である。一般的に、ヒートシンクは、半導体レーザ素子アレイを搭載するエリアの直下（内部）にマイクロチャネルと呼ばれる微小水路を形成し、この水路に冷却水を流して、半導体レーザ素子アレイを冷却する構成を採っている。

例えば、１００Ｗクラスの半導体レーザ素子アレイ（例えば、２５個の発光部または発光素子で構成され、実装部面積が１．２×１０ｍｍ²である半導体レーザ素子アレイ）は、図１０〜図１４を参照して後述する標準仕様（従来）のヒートシンク市販品（テクニスコ社製）（銅とモリブデンが積層された７層構造で、熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋであるヒートシンク）を用いると、良好な特性が得られる。

しかし、１００Ｗを超えるクラスの半導体レーザ素子アレイ（例えば、２４個の発光部または発光素子で構成され、実装部面積が２．４×１０ｍｍ²である半導体レーザ素子アレイ）は、上記のヒートシンク市販品を用いても、良い特性が得られない。その理由として、１００Ｗを超えるクラスの半導体レーザ素子アレイは、１００Ｗ以下のクラスの半導体レーザ素子アレイと比較して、実装部の面積が広く（例えば２倍）になるため、半導体レーザ素子アレイの熱膨張係数（ＧａＡｓ：５．９ｐｐｍ／Ｋ）とヒートシンクの熱膨張係数（８．０ｐｐｍ／Ｋ）の差により生じる応力が大きくなるためと考えられる。

図１０は、従来技術におけるヒートシンクの構造を示す断面図である。図１１は、図１０のヒートシンクの層構成（Ｅ）を説明する図である。図１２は、従来技術における半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。

図１０および図１１に示すように、従来技術におけるヒートシンクの構成（Ｅ）は、厚さｔ₁＝０．１ｍｍのＣｕ層２０ａ、厚さｔ₂＝０．３ｍｍのＭｏ層３５ａ、厚さｔ₃＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｂ、厚さｔ₄＝０．１２ｍｍのＣｕ層２０ｃ、厚さｔ₅＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｄ、厚さｔ₆＝０．３ｍｍのＭｏ層３５ｂ、厚さｔ₇＝０．１ｍｍのＣｕ層２０ｅの７層を有している。ここで、Ｃｕ層２０ｂ、Ｃｕ層２０ｃ、Ｃｕ層２０ｄ、Ｍｏ層３５ｂ、Ｃｕ層２０ｅには、水路部４０が形成されている。外部から水路部４０の入口に供給された冷却水は、水路部４０の中を矢印で示すルートで流れ、水路部４０の出口から排出される。ヒートシンクの熱膨張係数は８．０ｐｐｍ／Ｋである。

図１２に示すように、従来技術の半導体レーザ装置において、ヒートシンク（図１０、図１１）に搭載されるたとえばＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子アレイ１０は、Ａｕ−Ｓｎ半田層１５によってＣｕ層２０ａに接合される。上記のように、ヒートシンクの内部には半導体レーザ素子アレイ１０の直下に水路部４０が形成されており、この水路部４０を冷却水が流れる。なお、Ｃｕ層２０ａに０．１μｍ以上のＡｕ層および２μｍ以上のＮｉ層を含む場合もある。

ここで、図１３につき、従来技術における半導体レーザ装置の発光スペクトルを説明する。

図１３は、１００Ｗを超えるクラスの半導体レーザ素子アレイ（２４個の発光部または発光素子で構成され、実装部面積が２．４×１０ｍｍ²であるＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子アレイ）を、図１２に示すような従来構成のヒートシンクに搭載した従来の半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子アレイを発光動作させたときに２４個の発光部（エミッタ）の中の１つから得られた発光スペクトルの測定例である。

この発光スペクトル測定においては、一方向に並んでいるレーザダイオードの発光部（エミッタ）から出射した光にレンズを用いて各発光部（エミッタ）の光軸に角度差をつけ、レーザダイオードを移動させアパーチャを用いて目的とする発光部からの光を取出して、光ファイバで分光光度計に導いて測定した。

ここで使用しているＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子アレイの発光部（エミッタ）より得られる発光スペクトルは、９７７ｎｍから９７８ｎｍに最大発光ピークを有する単峰性分布を示すが、上記のヒートシンク市販品を使用した場合には、半導体レーザ素子アレイの２４個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルのうち、数個の発光部からの発光スペクトルは単峰性分布からの崩れを示した。発光スペクトルの崩れが顕著な場合には、図１３に示すように、最大発光ピーク位置がずれ、双峰性分布となり、半導体レーザ素子アレイの発光部（エミッタ）から出射されるレーザビーム品質が大きく劣化した。この原因は、半導体レーザ素子アレイの熱膨張係数とヒートシンクの熱膨張係数の差により生じる応力によるものと考えられる。

ここで、図１４につき、従来技術における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の頻度分布（Ｅ）を説明する。

図１４は、図１３の半導体レーザ装置の発光スペクトルの測定と同様にして、異なる３つの半導体レーザ素子アレイについて性能を調べた結果であり、異なる３つの半導体レーザ素子アレイに含まれる合計３×２４＝７２個の発光部（エミッタ）における発光スペクトルを測定し、発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ（ｎｍ））の頻度分布を求めた結果を示す。スペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値は２．９６９ｎｍであり、標準偏差は０．４０２ｎｍであった。また、７２個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルのうち、４個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルが単峰性分布から崩れ双峰性分布を示した。

発光スペクトルが単峰性分布から双峰性分布に変化し、品質が劣化したレーザビームを出射する半導体レーザ素子アレイを励起光源に用いるレーザ加工機においては、レーザビームを効率よく集光できないためビームスポット径を微小に絞ることができず、さらにはビーム中心にパワー密度を集中することができないため、大きいパワー密度を得ることが困難となり、結果として高精度の微細なレーザ加工を行うことができない。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するものであり、搭載する半導体レーザ素子との熱膨張係数の差を小さくするヒートシンクを提供するとともに、半導体レーザ素子より出射されるレーザビームのビーム品質を向上させる半導体レーザ装置を提供する。

本発明のヒートシンクは、半導体レーザ素子を搭載するヒートシンクであって、第１の厚さＴ₁をもつ銅層からなる第１の層と、第２の厚さＴ₂をもつタングテン層からなり前記第１の層に接合された第２の層と、第３の厚さＴ₃をもつ銅層からなり前記第２の層に接合された第３の層と、第４の厚さＴ₄をもつ銅層からなり前記第３の層に接合された第４の層と、第５の厚さＴ₅をもつ銅層からなり前記第４の層に接合された第５の層と、第６の厚さＴ₆をもつタングステン層からなり前記第５の層に接合された第６の層と、第７の厚さＴ₇をもつ銅層からなり前記第６の層に接合された第７の層とを有し、前記第１の層の厚さの前記第２の層の厚さに対する比（γ＝Ｔ₁／Ｔ₂）が、γ≦０．２４である。

また、本発明の半導体レーザ装置は、上記構成のヒートシンクと、このヒートシンクの第１の層に搭載された半導体レーザ素子とを有する。

本発明のヒートシンクによれば、上記の構成により、搭載する半導体レーザ素子との熱膨張係数の差を小さくして、半導体レーザ素子の受ける応力を小さくし、半導体レーザ素子の変形、搭載面からの脱離、性能の劣化等を防止することができる。

また、本発明のレーザ装置によれば、上記の構成により、半導体レーザ素子を安定に動作させ、半導体レーザ素子より出射されるレーザビームのビーム品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるヒートシンクの構造を示す断面図である。 図１のヒートシンクの層構成を説明する図である。 実施形態における半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。 一変形例におけるヒートシンクおよび半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 一実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルを示す図である。 実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅の頻度分布（Ａ）を示す図である。 実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅の頻度分布（Ｃ）を示す図である。 実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅の頻度分布（Ｄ）を示す図である。 実施例におけるヒートシンクの熱膨張係数と半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅及び形状との関係を示す図である。 従来技術におけるヒートシンクの構造を示す断面図である。 図１０のヒートシンクの層構成を示す断面図である。 従来技術における半導体レーザ装置の構造の概要を示す断面図である。 従来技術における半導体レーザ装置の発光スペクトルを示す図である。 従来技術における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅の頻度分布（Ｅ）を示す図である。

本発明のヒートシンクにおいては、上記第１の層の厚さの上記第２の層の厚さに対する比（γ＝Ｔ₁／Ｔ₂）が０．１≦γである構成、あるいは上記第１の層の厚さＴ₁が０．０３ｍｍ≦Ｔ₁≦０．０７ｍｍである構成、あるいは上記第１の層と上記第３の層が上記第２の層に形成されたメッキ層である構成、あるいは冷却される素子の搭載面が上記第１の層である構成、あるいは熱膨張係数が６．８ｐｐｍ／Ｋ以上、７．２ｐｐｍ／Ｋ以下である構成が好ましい。なお、第１の層および第３の層は、メッキ以外の方法、例えばメタルパウダー、薄板の貼り合わせ、蒸着等によっても形成することもできる。

さらに、Ｔ₁＝Ｔ₇、Ｔ₂＝Ｔ₆、Ｔ₃＝Ｔ₅である構成、あるいは第３の層から第７の層の各層に冷却液が流れる通路部が設けられた構成、第５の層と前記第７の層は前記第６の層に形成されたメッキ層である構成を採るのが一層好ましい。なお、第５の層および第７の層は、メッキ以外の方法、例えばメタルパウダー、薄板の貼り合わせ、蒸着等によっても形成することもできる。

本発明のヒートシンクによれば、上記７つの層の各層の厚さを容易に制御することができるとともに、その熱膨張係数をこれに搭載される半導体レーザ素子の熱膨張係数に近い値とすることができるので、半導体レーザ素子が受ける応力を小さくし、半導体レーザ素子の変形、搭載面からの脱離、性能の劣化等を防止することができる。

本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクに搭載された半導体レーザ素子アレイの発光部からの発光スペクトルの分布が単峰性分布を保つので、レーザビームのビーム品質を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は上述した作用、効果を満たす構成であればよく、これらの実施形態に限定されるものではない。なお、以下に示す図面は構成が明瞭に分かり易くなるように描いているので、縮尺は厳密に正確なものではない。

以下の説明において半導体レーザ素子はＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子であり、エミッタ（発光部）を一次元的に複数配置した半導体レーザ素子アレイである。以下、ＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子アレイの冷却を例にとって、図面を参照しながら本発明の実施の形態、実施例について詳細に説明する。なお、以下の説明では、熱膨張係数は線熱膨張係数を意味するものとする。

［実施形態におけるヒートシンクの構成］

図１に、本発明の一実施形態におけるヒートシンクの断面構造を示す。

図１に示すように、ヒートシンク（冷却装置）は、厚さＴ₁のＣｕ（銅）層２０ａ、厚さＴ₂のＷ（タングステン）層３０ａ、厚さＴ₃のＣｕ層２０ｂ、厚さＴ₄のＣｕ層２０ｃ、厚さＴ₅のＣｕ層２０ｄ、厚さＴ₆のＷ層３０ｂ、厚さＴ₇のＣｕ層２０ｅから構成されている。Ｃｕ層２０ｂ、Ｃｕ層２０ｃ、Ｃｕ層２０ｄ、Ｗ層３０ｂ、Ｃｕ層２０ｅには、半導体レーザ素子アレイが搭載されるエリアの直下（内部）に延在するマイクロチャンネルの水路部４０が形成されている。外部から水路部４０の入口に供給された冷却水は、水路部４０の中を矢印で示すルートで流れ、水路部４０の出口から排出される。

図１に示すヒートシンクは、その内部に冷却水が流される水路部４０が形成されており、このヒートシンクとは別体に、水路を形成して金属ブロックを冷却する水冷構造の水冷部、又は、金属ブロックにペルチェ素子、ヒートパイプ、冷却フィン等を設けた空冷構造の空冷部を必要としないので、薄型である。

図１に示すヒートシンクでは、Ｔ₁＝Ｔ₇、Ｔ₂＝Ｔ₆、Ｔ₃＝Ｔ₅であり、ヒートシンクは厚さ方向で見るとき、中間の第４の層２０ｃを中心として上の３層（第１層、第２層および第３層）の材質と厚さが下の３層（第５層、第６層および第７層）の材質と厚さと対称になっている。

図２は、図１のヒートシンクにおける層構成例（Ａ）〜（Ｄ）を説明する図である。

より詳細には、ヒートシンクの層構成（Ａ）は、厚さＴ₁＝０．０３ｍｍのＣｕ層２０ａ、厚さＴ₂＝０．３ｍｍのＷ層３０ａ、厚さＴ₃＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｂ、厚さＴ₄＝０．１２ｍｍのＣｕ層２０ｃ、厚さＴ₅＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｄ、厚さＴ₆＝０．３ｍｍのＷ層３０ｂ、厚さＴ₇＝０．０３ｍｍのＣｕ層２０ｅの７層を有している。

ヒートシンクの層構成（Ｂ）は、厚さＴ₁＝０．０５ｍｍのＣｕ層２０ａ、厚さＴ₂＝０．３ｍｍのＷ層３０ａ、厚さＴ₃＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｂ、厚さＴ₄＝０．１２ｍｍのＣｕ層２０ｃ、厚さＴ₅＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｄ、厚さＴ₆＝０．３ｍｍのＷ３０ｂ、厚さＴ₇＝０．０５ｍｍのＣｕ層２０ｅの７層を有している。

ヒートシンクの層構成（Ｃ）は、厚さＴ₁＝０．０７ｍｍのＣｕ層２０ａ、厚さＴ₂＝０．３ｍｍのＷ層３０ａ、厚さＴ₃＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｂ、厚さＴ₄＝０．１２ｍｍのＣｕ層２０ｃ、厚さＴ₅＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｄ、厚さＴ₆＝０．３ｍｍのＷ層３０ｂ、厚さＴ₇＝０．０７ｍｍのＣｕ層２０ｅの７層を有している。

ヒートシンクの層構成（Ｄ）は、厚さＴ₁＝０．１０ｍｍのＣｕ層２０ａ、厚さＴ₂＝０．３ｍｍのＷ層３０ａ、厚さＴ₃＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｂ、厚さＴ₄＝０．１２ｍｍのＣｕ層２０ｃ、厚さＴ₅＝０．３ｍｍのＣｕ層２０ｄ、厚さＴ₆＝０．３ｍｍのＷ層３０ｂ、厚さＴ₇＝０．１０ｍｍのＣｕ層２０ｅの７層を有している。

図２に示す層構成例（Ａ）〜（Ｄ）は何れも、上述したように、中間の第４の層２０ｃを中心として上の３層（第１層、第２層および第３層）の材質と厚さが下の３層（第５層、第６層および第７層）の材質と厚さと対称になっている。すなわち、Ｔ₁＝Ｔ₇，Ｔ₂＝Ｔ₆，Ｔ₃＝Ｔ₅となっている。ただし、層構成例（Ａ）〜（Ｄ）の間では、Ｃｕ層２０ａの厚さＴ₁，Ｃｕ層２０ｅの厚さＴ₇（＝Ｔ₁）が異なっており、層構成例（Ａ）〜（Ｄ）のヒートシンクはそれぞれ異なる熱膨張係数を有している。なお、図２において、厚さＴ₁〜Ｔ₇の単位はｍｍであり、層構成例（Ａ）〜（Ｄ）における熱膨張係数は、層構成例（Ｂ）を除いて実測値である。層構成例（Ｂ）における熱膨張係数はシミュレーション結果に基づく値である。

図２に示す層構成から明らかなように、層構成例（Ａ）では、ヒートシンクの全厚は１．３８ｍｍ、Ｃｕの総厚は０．７８ｍｍ、Ｗの総厚は０．６ｍｍである。層構成例（Ｂ）では、ヒートシンクの全厚は１．４２ｍｍ、Ｃｕの総厚は０．８２ｍｍ、Ｗの総厚は０．６ｍｍである。層構成例（Ｃ）では、ヒートシンクの全厚は１．４６ｍｍ、Ｃｕの総厚は０．８６ｍｍ、Ｗの総厚は０．６ｍｍである。層構成例（Ｄ）では、ヒートシンクの全厚は１．５２ｍｍ、Ｃｕの総厚は０．９２ｍｍ、Ｗの総厚は０．６ｍｍである。なお、図１１に示す従来技術の層構成（Ｅ）では、ヒートシンクの全厚は１．５２ｍｍ、Ｃｕの総厚は０．９２ｍｍ、Ｍｏの総厚は０．６ｍｍである。

図２に示す結果から、Ｃｕ層２０ａの厚さＴ₁、Ｃｕ層２０ｅの厚さＴ₇（＝Ｔ₁）が薄くなるに従って、熱膨張係数は小さくなり、半導体レーザ素子の熱膨張係数（ＧａＡｓ：５．９ｐｐｍ／Ｋ）に近づいていき、Ｃｕ層２０ａの厚さＴ₁のＷ層３０ａの厚さＴ₂に対する比＝Ｔ₁／Ｔ₂は減少していくことが分かる。

図１及び図２（実施例）と図１０及び図１１（従来技術）との比較から明らかように、図１及び図２に示す実施例のヒートシンクは、銅、タングステンの積層により形成され、最上層の銅の厚さが３０μｍ〜１００μｍであり、ＬＤ実装部の熱膨張係数を６．８ｐｐｍ／Ｋ〜７．５ｐｐｍ／Ｋとし、より小さな値とした点で、従来技術とは大きく異なっている。

図２に示す層構成例（Ａ）〜（Ｃ）のヒートシンクは、図１１に示す層構成（Ｅ）の従来技術のヒートシンクよりも薄い厚さと小さい熱膨張係数を実現している。

図３は、本発明の実施の形態における半導体レーザ装置の断面構造を示す。

図３に示すように、この半導体レーザ装置において、たとえばＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子アレイ１０は、Ａｕ−Ｓｎ半田層１５によってヒートシンク（図１、図２）のＣｕ層２０ａに接合（搭載）されている。そして、半導体レーザ素子アレイ１０を冷却するために、ヒートシンクには半導体レーザ素子アレイ１０を搭載するエリアの直下（内部）に上記構成の水路部４０が形成されている。

図１〜図３に示す構成例のヒートシンクでは、水路部４０が、第３の層（Ｃｕ層）２０ｂを貫通して第２の層（Ｗ層）３０ａの下面に接するとともに、第６の層（Ｗ層）３０ｂの上面にも接している。一変形例として、図４に示すように、水路部４０が、第３の層（Ｃｕ層）２０ｂを貫通しない（つまり第２の層（Ｗ層）３０ａの下面に接しない）構成や、第６の層（Ｗ層）３０ｂの上面に接しない構成も可能である。

［実施形態における半導体レーザ装置の作用］

次に、この実施形態において、ヒートシンクの構成と半導体レーザ素子アレイの性能劣化との関係、即ち、ヒートシンクの構成と半導体レーザ素子アレイの発光部（エミッタ）から出射されるレーザビーム品質との関係を説明する。

図５は、本発明の一実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルを説明する図である。

半導体レーザ装置の発光スペクトルの測定は、従来技術について上述した図１３における発光スペクトルの測定と同様に、レーザダイオードの発光部（エミッタ）は０．４ｍｍ間隔で一方向に並んでいるので、レンズを用いて各発光部の光軸に角度差をつけ、レーザダイオードを移動させアパーチャを用いて目的とする発光部からの光を取出して、光ファイバで分光光度計に導いて測定した。

半導体レーザ素子アレイを、図２に示すヒートシンクの構成例（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に実装した場合、即ち、熱膨張係数が６．８ｐｐｍ／Ｋ〜７．５ｐｐｍ／Ｋであるヒートシンクに半導体レーザ素子アレイを実装した場合には、図５に示すように、半導体レーザ素子アレイの殆ど全ての発光部（エミッタ）からの発光スペクトルは、図１３に示す従来技術と異なり、９７７ｎｍから９７８ｎｍに最大発光ピークを有する単峰性分布を示す。

次に、一実施例の半導体レーザ装置において発光ペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ（ｎｍ））の頻度分布を求めた結果について説明する。この実施例では、図２に示す層構成（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）のヒートシンクに１００Ｗを超えるクラスの半導体レーザ素子アレイ（２４個の発光部つまり２４個の発光素子で構成され、実装部面積が２．４×１０ｍｍ²である半導体レーザ素子アレイ）をそれぞれ実装し、図１３の半導体レーザ装置における発光スペクトルの測定と同様にして、異なる３つの半導体レーザ素子アレイに含まれる合計３×２４＝７２個の発光部（エミッタ）より得られた発光スペクトルを測定した。

図６に、本発明の実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の頻度分布（Ａ）を示す。

より詳しくは、図６は、図２に示す層構成（Ａ）を有するヒートシンクに上記半導体レーザ素子アレイを実装して、発光スペクトルを測定した結果であり、異なる３つの半導体レーザ素子アレイに含まれる合計３×２４＝７２個の発光部（エミッタ）より得られた発光スペクトルを測定し、発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ（ｎｍ））の頻度分布を求めた結果を示す。

図６に示すように、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値は２．８５５ｎｍであり、標準偏差は０．１５４ｎｍであった。また、７２個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルは全て単峰性分布を示した。

図７に、本発明の実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の頻度分布（Ｃ）を示す。

より詳しくは、図７は、図２に示す構成例（Ｃ）を有するヒートシンクに上記半導体レーザ素子アレイを実装して、発光スペクトルを測定した結果であり、異なる３つの半導体レーザ素子アレイに含まれる合計３×２４＝７２個の発光部（エミッタ）より得られた発光スペクトルを測定し、発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ（ｎｍ））の頻度分布を求めた結果を示す。

図７に示すように、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値は２．８１０ｎｍであり、標準偏差は０．１７０ｎｍであった。また、７２個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルは全て単峰性分布を示した。

図８に、本発明の実施例における半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の頻度分布（Ｄ）を示す。

より詳しくは、図８は、図２に示す層構成（Ｄ）を有するヒートシンクに半導体レーザ素子アレイを実装して、発光スペクトルを測定した結果であり、異なる３つの半導体レーザ素子アレイに含まれる合計３×２４＝７２個の発光部（エミッタ）より得られた発光スペクトルを測定し、発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ（ｎｍ））の頻度分布を求めた結果を示す。

図８に示すように、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値は２．８０２ｎｍであり、標準偏差は０．２２７ｎｍであった。また、７２個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルのうち、２個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルが単峰性分布から崩れ双峰性分布を示した。

図９につき、本発明の実施例におけるヒートシンクの熱膨張係数と半導体レーザ装置の発光スペクトルのスペクトル幅及び形状との関係を説明する。

図９において、左縦軸はスペクトル幅（ＦＷＨＭ）を示しその平均値を○印でプロットし、２σ（但し、σを標準偏差とする。）の長さをもった両側矢印線でスペクトル幅（ＦＷＨＭ）のバラツキを示しており、右縦軸は、７２個の素子（即ち、発光部（エミッタ））からの発光スペクトルのうちその形状がダブルピークを生じ双峰性分布であった素子（即ち、発光部（エミッタ））の数を示し、□印でプロットしている。

なお、図９に示す（Ｅ）は、従来技術における図１４に関する測定から得られた結果を示しており、スペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値は２．９６９ｎｍであり、標準偏差σは０．４０２ｎｍであり、７２個の発光部（エミッタ）のうち、４個の発光部（エミッタ）からの発光スペクトルが単峰性分布から崩れ双峰性分布を示した。

図９に示す結果から、ヒートシンクの熱膨張係数が小さい方が発光部（エミッタ）からの発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値が小さくなる傾向が大きく、ＣｕとＷの積層体からなる本発明のヒートシンクは、ＣｕとＭｏの積層体からなる従来技術のヒートシンクよりも小さな熱膨張係数を有しており、６．８ｐｐｍ／Ｋ以上、７．２ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数のヒートシンクを使用する場合には、発光部（エミッタ）からの発光スペクトルのスペクトル幅（ＦＷＨＭ）の平均値及びバラツキが小さく、しかも、発光部（エミッタ）からの発光スペクトルの崩れを生じる頻度が非常に少なく、発光スペクトルは単峰性分布となり双峰性分布となることがないことが明らかとなった。

以上説明した結果から、ヒートシンクは、最表面のＣｕ層とその直下のＷ層の厚さの比が０．２４（０．０７ｍｍ÷０．０３ｍｍ）以下であり、最表面のＣｕ層の厚さが０．０３ｍｍ以上、０．０７ｍｍ以下であり、熱膨張係数が６．８ｐｐｍ／Ｋ以上、７．２ｐｐｍ／Ｋ以下である層構成を有することが望ましい。

このような構成を有するヒートシンクに搭載された半導体レーザ素子アレイの発光部（エミッタ）より得られる発光スペクトルの分布は、単峰性分布から双峰性分布に変化することがない。したがって、品質の劣化の非常に少ないレーザビームを出射することができ、半導体レーザ素子アレイに与える応力が少なくて冷却性能に優れたヒートシンク及びレーザビーム品質が優れている半導体レーザ装置を提供することができる。

この実施形態の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子アレイからのレーザビームを光学系によって効率よく集光してビームスポット径を微小に絞ることができ、ビーム中心にパワー密度を集中させて高いパワー密度を得ることが可能となり、例えば、半導体レーザ素子アレイを励起光源に用いる高出力タイプのレーザ加工機の発振効率を向上させることができる。

また、本発明のヒートシンクは、（１）希土類元素がコア部にドープされてなるレーザ媒質を励起用レーザ光により励起してレーザ光を発振させるファイバーレーザの励起光源に用いられる半導体レーザ素子又は素子アレイの冷却装置、（２）半導体レーザ素子又は素子アレイからのレーザ光を加工用レーザ光として直接使用するレーザ加工機における半導体レーザ素子又は素子アレイの冷却装置、（３）ＹＡＧレーザ等の固体レーザの励起光源として用いられる半導体レーザ素子又は素子アレイの冷却装置等としても、使用することができる。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形が可能である。

例えば、上記実施形態の一変形例として、第３の層（Ｃｕ層）２０ｂと第４の層（Ｃｕ層）２０ｃと第５の層（Ｃｕ層）２０ｄとが合体されて単層からなるＣｕ層として形成され、この単層（Ｃｕ層）に第２の層（Ｗ層）３０ａと第６の層（Ｗ層）３０ｂが接合された５層構造も可能である。このような５層構造のヒートシンクにおいても、その熱膨張係数を被搭載半導体レーザ素子の熱膨張係数に近い値とすることが可能であり、それによって半導体レーザ素子の受ける応力を小さくし、半導体レーザ素子の変形、搭載面からの脱離、性能の劣化等を防止することができる。

１０ 半導体レーザ素子アレイ
１５ Ａｕ−Ｓｎ半田層
１６ 半田層
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ Ｃｕ層
３０ａ、３０ｂ Ｗ層
３５ａ、３５ｂ Ｍｏ層
４０ 水路部

Claims (12)

1. 半導体レーザ素子を搭載するヒートシンクであって、
   第１の厚さＴ₁をもつ銅層からなる第１の層と、
   第２の厚さＴ₂をもつタングテン層からなり前記第１の層に接合された第２の層と、
   第３の厚さＴ₃をもつ銅層からなり前記第２の層に接合された第３の層と、
   第４の厚さＴ₄をもつ銅層からなり前記第３の層に接合された第４の層と、
   第５の厚さＴ₅をもつ銅層からなり前記第４の層に接合された第５の層と、
   第６の厚さＴ₆をもつタングステン層からなり前記第５の層に接合された第６の層と、
   第７の厚さＴ₇をもつ銅層からなり前記第６の層に接合された第７の層と
   を有し、
   前記第１の層の厚さの前記第２の層の厚さに対する比（γ＝Ｔ₁／Ｔ₂）が、γ≦０．２４である、ヒートシンク。
2. 前記比が、０．１≦γである、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記第１の層の厚さＴ₁は、０．０３ｍｍ≦Ｔ₁≦０．０７ｍｍである、請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記第１の層と前記第３の層は前記第２の層に形成されたメッキ層であり、前記第５の層と前記第７の層は前記第６の層に形成されたメッキ層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 冷却される素子の搭載面が前記第１の層である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 熱膨張係数が６．８ｐｐｍ／Ｋ以上、７．２ｐｐｍ／Ｋ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートシンク。
7. Ｔ₁＝Ｔ₇、Ｔ₂＝Ｔ₆、Ｔ₃＝Ｔ₅である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートシンク。
8. 前記第３の層から前記第７の層の各層を冷却液が流れる通路部が設けられた、請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートシンク。
9. 前記第３の層と前記第４の層と前記第５の層が合体され単層からなる銅層として形成され、前記単層に前記第２の層及び前記第６の層が接合された、請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートシンク。
10. 冷却液が流れる通路部が前記単層に設けられた、請求項９に記載のヒートシンク。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの前記第１の層に搭載された半導体レーザ素子と
    を有する半導体レーザ装置。
12. 前記半導体レーザ素子は、アレイ状に配置された複数個のレーザダイオードを有する、請求項１１に記載の半導体レーザ装置。

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