JP2020115527A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレーザ素子間の温度不均一を抑制した半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】第１のレーザ素子と、第２のレーザ素子と、第１のレーザ素子が搭載される第１の金属ブロックと、第２のレーザ素子が搭載される第２の金属ブロックと、第３の金属ブロックと、第４の金属ブロックと、を備える。第１のレーザ素子と第４の金属ブロックとに接続される第１の金属部材と、第２のレーザ素子と第３の金属ブロックとに接続される第２の金属部材と、第１の金属ブロック、第２の金属ブロック、第３の金属ブロック、第４の金属ブロックの内部にある流路と、を備える。第１の金属ブロックが最上流にあり、第２の金属ブロックが第１の金属ブロックの下流側にあり、第３の金属ブロックが第２の金属ブロックの下流側にあり、第４の金属ブロックが最下流にある。【選択図】図１

Description

本開示は、金属ブロックが搭載される半導体レーザ装置に関する。

なお、本願は、平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用ＧａＮ系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願である。

従来、金属ブロックが搭載される半導体レーザ装置の一例として、特許文献１に開示された半導体装置がある。

半導体モジュールと、半導体モジュールが搭載された流体冷却ブロックと、半導体モジュールから流体冷却ブロックに熱を伝達する熱伝達部材と、を備えるものであり、流体冷却ブロックは、内部に流体が流れるものである。半導体モジュールに対向する位置に設けられた冷却部と、冷却部に流体を送る流入路と、冷却部から流体が流れ出る流出路とを備え、熱伝達部材は、半導体モジュールにおける流体冷却ブロックへの実装面の反対面に取り付けられた吸熱部と、流体冷却ブロックに取り付けられた放熱部と、吸熱部と放熱部とを繋ぐ伝達部と、を備え、放熱部は、流体冷却ブロックにおける冷却部に対する上流側を囲う部位のみに取り付けられている。

この半導体装置は、半導体モジュールが流体冷却ブロックに搭載されているため、半導体モジュールの裏面（実装面）から発せられた熱は、流体冷却ブロックの内部を流れる流体に伝達される。また、半導体モジュールの表面には、吸熱部が取り付けられており、この吸熱部は伝達部によって放熱部と繋がっている。この放熱部は、流体冷却ブロックの冷却部に対する上流側を囲う部位のみに取り付けられている。これによって、半導体モジュールの表面から発せられた熱は、熱伝達部材（吸熱部、伝達部、放熱部）を介して、半導体モジュールの裏面から発せられた熱で温められる前の流体に伝達される。

特開２０１３−２４７２２９号公報

しかしながら上記半導体装置において、複数の半導体モジュールが搭載されている場合、流体が下流側に行くにつれて半導体モジュールの裏面から発せられた熱で温められていくことで流体の冷却能力が低下するため、それぞれの半導体モジュールを均一に冷却することができないという問題がある。さらに、このような冷却能力の差により、それぞれの半導体モジュールの寿命に差がでたり、光出力とレーザの波長などの特性のバラつきが大きくなったりするという問題がある。

本開示は、上記の課題に鑑み、複数のレーザ素子間における温度不均一を抑制することができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る半導体レーザ装置は、第１のレーザ素子と、第２のレーザ素子と
、第１のレーザ素子が搭載される１の金属ブロックと、第２のレーザ素子が搭載される第２の金属ブロックと、第３の金属ブロックと、第４の金属ブロックと、を備える。第１のレーザ素子と第４の金属ブロックとに接続される第１の金属部材と、第２のレーザ素子と第３の金属ブロックとに接続される第２の金属部材と、第１の金属ブロック、第２の金属ブロック、第３の金属ブロック、第４の金属ブロックの内部にある流路と、を備える。第１の金属ブロックが最上流にあり、第２の金属ブロックが第１の金属ブロックの下流側にあり、第３の金属ブロックが第２の金属ブロックの下流側にあり、第４の金属ブロックが最下流にある。

本開示に係る半導体レーザ装置は、複数のレーザ素子間の温度不均一を抑制した半導体レーザ装置を提供することができる。

実施形態１に係る半導体レーザ装置の平面図である。 実施形態１に係る半導体レーザ装置の側面図である。 実施形態２に係る半導体レーザ装置の平面図である。 実施形態３に係る半導体レーザ装置の平面図である。 実施形態３に係る半導体レーザ装置の側面図である。 実施形態４に係る半導体レーザ装置の平面図である。

以下、本開示に係る半導体レーザ装置の実施の形態を、図面に基づき説明する。なお、下記に開示される実施の形態はすべて例示であって、本開示に係る半導体レーザ装置に制限を加える意図はない。

また、下記に開示される実施の形態では、必要以上の詳細な説明を省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項についての詳細な説明や、実質的に同一の構成についての重複する説明を、省略する場合がある。これは、説明が不必要に冗長になるのを避けることで、当業者の理解を容易にするためである。

（実施形態１）
（全体構成）
図１に示す半導体レーザ装置は、主に、レーザ素子と、金属ブロックと、レーザ素子から金属ブロックに熱を伝達する金属部材を備えるものである。

第１のレーザ素子１００は、第１の金属ブロック１１０に搭載されており、第２のレーザ素子１２０は第２の金属ブロック１３０に搭載されている。第１の金属部材１４０は、第１のレーザ素子１００と第４の金属ブロック１５０に取り付けられており、第２の金属部材１６０は、第２のレーザ素子１２０と第３の金属ブロック１７０に取り付けられている。第１の金属ブロック１１０と第２の金属ブロック１３０と第３の金属ブロック１７０と第４の金属ブロック１５０間は、第１の絶縁材１８０で接続されている。第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に貫通する流路１９０が存在しており、流路１９０の流入口２００から流出口２１０にかけて流体が流れる。第１のワイヤ２３０は、第１の金属ブロック１１０に接続されてもよい。また、第２のワイヤ２４０は、第２のレーザ素子１２０と第２の金属ブロック１３０に接続されてもよい。さらに、第３のワイヤ２５０は、第２のレーザ素子１２０に接続されてもよい。

これにより、第１のレーザ素子１００は、第１のレーザ素子１００の実装面と第１の金
属ブロック１１０との間に絶縁シート等を介して搭載することが不要である。また、第２のレーザ素子１２０は、第２のレーザ素子１２０の実装面と第２の金属ブロック１３０との間に絶縁シート等を介して搭載することが不要である。したがって、絶縁シート等がなくてもショートすることがなく、金属ブロックと金属部材による高い冷却能力を保持したまま、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を均一に冷却させつつ、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を直列に配線することが可能となる。また、第１のワイヤ２３０、第２のワイヤ２４０が金属ブロック自体に接続されているため、ワイヤ接続の接触抵抗による熱を金属ブロックで効率的に冷却することが可能となる。

（レーザ素子）
第１のレーザ素子１００の構造について、図２を用いて説明する。図２に示すように、第１のレーザ素子１００は、半導体レーザ２６０、第１の金属パッケージ２８０、第２の金属パッケージ２９０、第２の絶縁材２７０などを備えて構成される。第１のレーザ素子１００は、半導体レーザ２６０と第２の絶縁材２７０が第１の金属パッケージ２８０と第２の金属パッケージ２９０に挟み込まれた構造をしている。半導体レーザ２６０は、射出面３００からレーザ光を射出する。図は省略するが、第２のレーザ素子１２０も第１のレーザ素子１００と同様の構成である。第２のレーザ素子１２０は、半導体レーザ２６０、第１の金属パッケージ２８０、第２の金属パッケージ２９０、第２の絶縁材２７０などを備えて構成される。第２のレーザ素子１２０は、半導体レーザ２６０と第２の絶縁材２７０が第１の金属パッケージ２８０と第２の金属パッケージ２９０に挟み込まれた構造をしている。半導体レーザ２６０は、射出面３００からレーザ光を射出する。

本実施形態において、この第１の金属パッケージ２８０と第２の金属パッケージ２９０は、半導体レーザ２６０から発せられた熱を放熱するための放熱部としての機能を有するとともに、半導体レーザ２６０と外部装置とを電気的に接続するための外部接続端子としての機能を有する。第１のレーザ素子１００から発せられた熱は、第１の金属パッケージ２８０と第２の金属パッケージ２９０に伝達される。さらに、第１の金属パッケージ２８０に伝達された熱は、第１の金属部材１４０に伝達される。第２の金属パッケージ２９０に伝達された熱は、第１の金属ブロック１１０に伝達される。第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第１のレーザ素子１００と同様に、第１の金属パッケージ２８０と第２の金属パッケージ２９０に伝達される。さらに、第１の金属パッケージ２８０に伝達された熱は、第２の金属部材１６０に伝達される。第２の金属パッケージ２９０に伝達された熱は、第３の金属ブロック１７０に伝達される。したがって、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を金属で接続することができるため第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を効率的に冷却することが可能となる。

（金属ブロック）
次に、金属ブロックに関して説明する。図１に示すように、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０は、内部に流路を備えており、第１の金属ブロック１１０に流体が流れ入る流入口２００と、第４の金属ブロック１５０から流体が流れ出る流出口２１０とを備えて構成される。つまり、第１の金属ブロック１１０が最上流にあり、第２の金属ブロック１３０が第１の金属ブロック１１０の下流側にあり、第３の金属ブロック１７０が第２の金属ブロック１３０の下流側にあり、第４の金属ブロック１５０が最下流にある。よって、流入口２００に供給された流体は、流路１９０を通って、流出口２１０に流れ、流出口２１０から第４の金属ブロック１５０の外部に排出されることになる。つまり、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に流体が流れることになる。

また、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１
７０、第４の金属ブロック１５０は、熱伝導性を確保するために、例えば、銅、金、銀、アルミニウム又は、これらの金属の少なくとも１種類を含む合金のいずれかの金属材料からなるものである。なお、流体としては、冷却水、冷却油、空気などを用いることができる。

また、図１などに示すように、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０は、例えば、外形が略矩形をなすものである。よって、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０は、４つの側面、平面、底面、及びこれらの面で囲まれ流体が流れる孔部（流路）を有する。第１のレーザ素子１００は、第１の金属ブロック１１０の平面上に搭載されてもよいし、第２のレーザ素子１２０は、第２の金属ブロック１３０の平面上に搭載されてもよい。

本実施形態において、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０を通して、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の内部にある流路を流れる流体に伝達される。これにより、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を効率的に冷却することができる。第１のレーザ素子１００においては、第１のレーザ素子１００から発せられた熱は、第１の金属ブロック１１０を通して、第１の金属ブロック１１０の内部にある流路１９０を流れる流体に伝達されることにより、第１のレーザ素子１００を冷却することができる。さらに、第１のレーザ素子１００から発せられた熱は、第１の金属部材１４０を通して第４の金属ブロック１５０に伝達される。そして、第３の金属ブロック１７０の内部にある流路１９０を流れる流体に伝達されることにより冷却される。第２のレーザ素子１２０においては、第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第２の金属ブロック１３０を通して、第２の金属ブロック１３０の内部にある流路１９０を流れる流体に伝達されることにより、第２のレーザ素子１２０を冷却することができる。さらに、第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第２の金属部材１６０を通して第３の金属ブロック１７０に伝達される。そして、第３の金属ブロック１７０の内部にある流路１９０を流れる流体に伝達されることにより冷却される。したがって、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を効率的に冷却することができる。

第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０間は、第１の絶縁材１８０を介して接続されている。第１の絶縁材１８０は、例えば、エポキシ樹脂である。この構成により、第１のレーザ素子１００は、第１のレーザ素子１００の実装面と第１の金属ブロック１１０との間に絶縁シート等を介して搭載することが不要である。また、第２のレーザ素子１２０は、第２のレーザ素子１２０の実装面と第２の金属ブロック１３０との間に絶縁シート等を介して搭載することが不要である。したがって、絶縁シート等がなくてもショートすることがなく、金属ブロックと金属部材による高い冷却能力を保持したまま、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を均一に冷却させることが可能となる。つまり、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０間における温度不均一を抑制することが可能となる。

（流路）
次に、流路１９０に関して説明する。流路１９０は、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の内部に貫通されている。第１の金属ブロック１１０に流体が流れ入る流入口２００と、第４の金属ブロック１５０から流体が流れ出る流出口２１０とを備えて構成される。よって、流入口２００に供給された流体は、流路１９０を通って、流出口２１０に流れ、流出口２１０から第４の金属ブロック１５０の外部に排出されることになる。つまり、第１の金属ブロ
ック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に流体が流れることになる。流路１９０は、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の内部に設けられた孔部であってもよいし、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の内部に貫通させたパイプであってもよい。さらに、金属ブロックの内部に設けられた孔部とパイプとの組み合わせでもよい。より詳細には、切削などで金属ブロックの内部に流路を形成する。そして、その流路の流出入口にコネクタをとりつける。そして、そのコネクタ同士をシリコーンチューブ等のパイプでつなぐことで流路を形成する事ができる。また、各金属ブロック間をつなぐ流路（パイプ）は金属だと金属ブロック同士が導通してしまうため、シリコーンチューブ等の絶縁物が好ましい。そして、パイプは内部に空洞を有していることが好ましい。これにより、流体がパイプの内部にある空洞を流れることができる。また、流路１９０としてパイプを用いた場合に、流路１９０の形状は、略Ｕ字型としてもよい。これにより、流路１９０を流れる流体は、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０の順に流れる。そして、湾曲部を流れ、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に流れるため、効率的にレーザ素子を冷却するができる。さらに、コンパクトに第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０を配置することができるため、コンパクトな半導体レーザ装置を提供することができる。パイプとしては、熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましい。例えば、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属であることが好ましい。これにより、効率的にレーザ素子の発熱を冷却することができる。また、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０は、レーザ発振時にそれぞれのレーザ素子から発生する熱を効率よく伝達するために、流路１９０の上面視にて重なる位置に第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を搭載することが好ましい。

（金属部材）
次に、金属部材に関して説明する。第１の金属部材１４０は、第１のレーザ素子１００と第４の金属ブロック１５０に電気的及び機械的に接続されており、第２の金属部材１６０は、第２のレーザ素子１２０と第３の金属ブロック１７０に電気的及び機械的に接続されている。例えば、第１の金属部材１４０は、導電性接着剤や半田などの導電性接続部材により第１のレーザ素子１００と第４の金属ブロック１５０に接続されている。第２の金属部材１６０も同様に第２のレーザ素子１２０と第３の金属ブロック１７０に接続されている。金属部材としては、熱伝導性に優れている部材、例えば、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属であれば用いることができる。本実施形態における金属部材は、図２に示すように、略Ｚ字状に形成されてもよい。また、第１の金属部材１４０は、前記第４の金属ブロック１５０の上面視にて流路１９０に重なる位置に取り付けられており、第２の金属部材１６０は、第３の金属ブロック１７０の上面視にて流路１９０に重なる位置に取り付けられていることが好ましい。これにより、流路１９０で冷却された第４の金属ブロック１５０の冷却能力をより効率的に第１の金属部材１４０に伝達することができる。さらに、流路１９０で冷却された第３の金属ブロック１７０の冷却能力をより効率的に第２の金属部材１６０に伝達することができる。

また、１つの金属ブロックに２つ以上の金属部材を搭載することにより効率的にレーザ素子を冷却することができる。

本実施形態において、第１のレーザ素子１００から発せられた熱は、第１の金属部材１４０に伝達されることにより冷却される。また、第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第２の金属部材１６０に伝達されることにより冷却される。まず、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の内部にある流路１９０を流れる流体により、第１の金属ブロック１１０、第２
の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に冷却される。さらに、流体により冷却された第４の金属ブロック１５０により、第１の金属部材１４０が冷却される。また、流体により冷却された第３の金属ブロック１７０により、第２の金属部材１６０が冷却される。したがって、第１のレーザ素子１００から発せられた熱は、第４の金属ブロック１５０により冷却された第１の金属部材１４０を介して伝達され、第１のレーザ素子１００を冷却することが可能となる。また、第２のレーザ素子１２０から発せられた熱は、第３の金属ブロック１７０により冷却された第２の金属部材１６０を介して伝達され、第２のレーザ素子１２０を冷却することが可能となる。これらにより、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を効率的に冷却することが可能となる。

また、金属部材として、ヒートパイプを用いることができる。ヒートパイプは、周知技術であるため詳細な説明は省略するが、密閉容器内（管状部材、パイプ）内に少量の液体（作動液）を真空封入し、内壁に毛細管構造（ウィック）を備えたものである。本実施形態におけるヒートパイプは、図２などに示すように、略Ｚ字状に形成されてもよい。

また、ヒートパイプの容器は、熱伝導性に優れている金属である、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどを用いることができる。このように、第１の金属部材１４０と第２の金属部材１６０にヒートパイプを用いることにより、単なる金属部材を用いるよりも、レーザ素子で発せられた熱を効率的に金属ブロックに伝達することができるので好ましい。

ここで、金属ブロックに対するレーザ素子及び金属部材の取り付けに関して説明する。第１のレーザ素子１００は、第１の金属ブロック１１０に電気的及び機械的に接続されている。例えば、第１のレーザ素子１００は、導電性接着剤や半田などの導電性接続部材により第１の金属ブロック１１０に接続されている。また、第２のレーザ素子１２０も同様に第２の金属ブロック１３０に接続されている。

第１の金属部材１４０は、第４の金属ブロック１５０に電気的及び機械的に接続されている。例えば、第１の金属部材１４０は、導電性接着剤や半田などの導電性接続部材により第４の金属ブロック１５０に接続されている。また、第２のレーザ素子１２０も同様に第３の金属ブロック１７０に接続されている。さらに、レーザ素子に対する金属部材の取り付けに関して説明する。第１の金属部材１４０は、第１のレーザ素子１００に電気的及び機械的に接続されている。例えば、第１の金属部材１４０は、導電性接着剤や半田などの導電性接続部材により第１のレーザ素子１００に接続されている。第２の金属部材１６０も同様に第２のレーザ素子１２０に接続されている。これらの関係から、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の冷却能力を順位付けし、冷却能力が高い順番で並べると第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０という順番になる。また、第４の金属ブロック１５０に接続された第１の金属部材１４０、第３の金属ブロック１７０に接続された第２の金属部材１６０の冷却能力を順位付けし、冷却能力が高い順番で並べると第２の金属部材１６０、第１の金属部材１４０という順番になる。これは、流路を流れる流体が上流から下流に行くにつれて上流側にある第１のレーザ素子１００と下流側にある第２のレーザ素子１２０の発熱を吸収していくことで流体が温められていくためである。例えば、第２のレーザ素子１２０よりも上流側にある第１のレーザ素子１００において、第１の金属ブロック１１０の冷却能力は、第２の金属ブロック１３０に比べて相対的に高い。しかし、第４の金属ブロック１５０と接続された第１の金属部材１４０による冷却能力は、第３の金属ブロック１７０と接続された第２の金属部材１６０の冷却能力に比べて相対的に低くなる。一方で、第１のレーザ素子１００よりも下流側にある第２のレーザ素子１２０において、第２の金属ブロック１３０の冷却能力は、第１の金属ブロック１１０に比べて相対的に低い。しかし、第３の金属ブロッ
ク１７０と接続された第２の金属部材１６０の冷却能力は、第４の金属ブロック１５０と接続された第１の金属部材１４０に比べて相対的に高くなる。したがって、第１のレーザ素子１００における第１の金属ブロック１１０（冷却能力が１番目に高い）と第１の金属部材１４０（冷却能力が４番目に高い）とによる冷却能力と、第２のレーザ素子１２０における第２の金属ブロック１３０（冷却能力が２番目に高い）と第２の金属部材１６０（冷却能力が３番目に高い）とによる冷却能力を平均化することができる。つまり、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０間における温度不均一を抑制することが可能となる。これにより、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０を均一に冷却することが可能となり、レーザ素子の違いによる特性のバラつきをなくし、長寿命化を図ることができる。

なお、本実施形態においては、金属部材としてヒートパイプを用いた。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。金属部材としては、熱伝導性に優れている部材、例えば、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属であれば用いることができる。また、１つの金属ブロックに複数の金属部材が設置されていてもよい。後ほどの実施形態においても同様である。

（実施形態２）
ここで、実施形態２における半導体レーザ装置に関して説明する。実施形態１は２つのレーザ素子から構成されているが、図３のように、３つのレーザ素子を配置してもよい。なお、ここでは、実施形態２の半導体レーザ装置において、上述の実施形態の半導体レーザ装置と異なる点を中心に説明する。また、実施形態２の半導体レーザ装置において、上述の半導体レーザ装置と共通する点は、図面において同じ符号を付与するなどして説明を省略する。実施形態２におけるレーザ素子の半導体レーザ装置は、第１のレーザ素子１００と、第２のレーザ素子１２０と、第３のレーザ素子３１０とを備えるものである。第３のレーザ素子３１０は、第１のレーザ素子１００、第２のレーザ素子１２０と実施形態１で説明したように同様に構成される。第１のレーザ素子１００が搭載される第１の金属ブロック１１０と、第２のレーザ素子１２０が搭載される第２の金属ブロック１３０と、第３のレーザ素子３１０が搭載される第５の金属ブロック３２０と、第１の金属部材１４０と、第２の金属部材１６０と、第３の金属部材３４０とを備えるものである。第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０は、内部に流路１９０を有しており、流路１９０は、第１の金属ブロック１１０に流体が流れ入る流入口２００と、第４の金属ブロック１５０から流体が流れ出る流出口２１０とを備えている。第１の金属部材１４０は、第１のレーザ素子１００と、第４の金属ブロック１５０に取り付けられ、第２の金属部材１６０は、第２のレーザ素子１２０と、第３の金属ブロック１７０に取り付けられており、第３の金属部材３４０は、第３のレーザ素子３１０と、第６の金属ブロック３３０に取り付けられている。第３のワイヤ２５０は、実施形態１と異なり第２のレーザ素子１２０と第５の金属ブロック３２０に接続されており、第４のワイヤ３５０は、第５の金属ブロック３２０に接続されている。また、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０は、互いに第１の絶縁材１８０を介して接続されていることが好ましい。

これにより、第３のレーザ素子３１０は、第３のレーザ素子３１０の実装面と第５の金属ブロック３２０との間に絶縁シート等を介して第５の金属ブロック３２０に配置することが不要である。したがって、絶縁シート等がなくてもショートすることがなく、第５の金属ブロック３２０と第３の金属部材３４０による高い冷却能力を保持したまま、第１のレーザ素子１００、第２のレーザ素子１２０、第３のレーザ素子３１０を均一に冷却させつつ、第１のレーザ素子１００、第２のレーザ素子１２０、第３のレーザ素子３１０を直列に配線することが可能となる。また、第３のワイヤ２５０が第５の金属ブロック３２０
自体に接続されているため、ワイヤ接続の接触抵抗による熱を金属ブロックで効率的に冷却することが可能となる。

なお、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０は、互いに空隙を介して接続されてもよい。これにより、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０を絶縁材で接続させていないため、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０の配置に自由度が増す。この場合、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０を支持する支持台は絶縁材であることが好ましい。

（金属ブロック）
図３に示すように、第５の金属ブロック３２０が第２の金属ブロック１３０の下流側にあり、第６の金属ブロック３３０が第５の金属ブロック３２０の下流側にあり、第３の金属ブロック１７０が第６の金属ブロック３３０の下流側にある。第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０は、例えば、外形が略矩形をなすものである。よって、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０は、４つの側面、平面、底面、及びこれらの面で囲まれ流体が流れる孔部（流路）を有する。第３のレーザ素子３１０は、第２の金属ブロック１３０の平面上に搭載されてもよい。

（流路）
次に、金属ブロックに関して説明する。図３に示すように、第４の金属ブロック１５０、第６の金属ブロック３３０は内部に流路を備えており、第１の金属ブロック１１０に流体が流れ入る流入口２００と、第４の金属ブロック１５０から流体が流れ出る流出口２１０とを備えて構成される。よって、流入口２００に供給された流体は、流路１９０を通って、流出口２１０に流れ、流出口２１０から第４の金属ブロック１５０の外部に排出されることになる。つまり、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の順に流体が流れることになる。また、第３のレーザ素子３１０は、レーザ発振時に第３のレーザ素子３１０から発生する熱を効率よく伝達するために、流路１９０の上面視にて重なる位置に第３のレーザ素子３１０を搭載することが好ましい。

第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０の冷却能力を順位付けし、冷却能力が高い順番で並べると第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第５の金属ブロック３２０、第６の金属ブロック３３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０という順番になる。また、第４の金属ブロック１５０に接続された第１の金属部材１４０、第３の金属ブロック１７０に接続された第２の金属部材１６０、第６の金属ブロック３３０に接続された第３の金属部材３４０の冷却能力を順位付けし、冷却能力が高い順番で並べると第３の金属部材３４０、第２の金属部材１６０、第１の金属部材１４０という順番になる。これは、流路を流れる流体が上流から下流に行くにつれて上流側にある第１のレーザ素子１００と中流側にある第２のレーザ素子１２０と下流側にある第３のレーザ素子３１０の発熱を吸収していくことで流体が温められていくためである。これにより、第１の金属ブロック１１０（冷却能力が１番目に高い）と第１の金属部材１４０（冷却能力が６番目に高い）とによる冷却能力と、第２の金属ブロック１３０（冷却能力が２番目に高い）と第２の金属部材１６０（冷却能力が５番目に高い）とによる冷却能力と、第５の金属ブロック（冷却能力が３番目に高い）
３２０と第３の金属部材３４０（冷却能力が４番目に高い）とによる冷却能力を平均化することができる。したがって、第１のレーザ素子１００と第２のレーザ素子１２０と第３のレーザ素子３１０を均一に冷却することが可能となるため、第１のレーザ素子１００、第２のレーザ素子１２０、第３のレーザ素子３１０間における温度不均一を抑制することが可能となる。この結果、レーザ素子の違いによる特性のバラつきをなくし、長寿命化を図ることができる。

なお、半導体レーザ装置は、４つ以上のレーザ素子と４つ以上の金属ブロックからなる構成であってもよく、組み合わせは自由である。また、１つの金属ブロックに複数のレーザ素子を搭載してもよい。これにより、１つの金属ブロックにより、複数のレーザ素子を効率的に冷却することが可能となる。

（実施形態３）
ここで、実施形態３における半導体レーザ装置に関して説明する。なお、ここでは、実施形態３の半導体レーザ装置において、上述の実施形態の半導体レーザ装置と異なる点を中心に説明する。また、実施形態２の半導体レーザ装置において、上述の半導体レーザ装置と共通する点は、図面において同じ符号を付与するなどして説明を省略する。図４、５のように、実施形態１における第１の絶縁材１８０を空隙としてもよい。この場合、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０を支持する支持台３６０は絶縁材であることが好ましい。これにより、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０を絶縁材で接続させていないため、第１の金属ブロック１１０、第２の金属ブロック１３０、第３の金属ブロック１７０、第４の金属ブロック１５０の配置に自由度が増す。

（実施形態４）
ここで、実施形態４における半導体レーザ装置に関して説明する。なお、ここでは、実施形態４の半導体レーザ装置において、上述の実施形態の半導体レーザ装置と異なる点を中心に説明する。また、実施形態２の半導体レーザ装置において、上述の半導体レーザ装置と共通する点は、図面において同じ符号を付与するなどして説明を省略する。図６のように、第５のワイヤ３７０が第４の金属ブロック１５０と第２の金属ブロック１３０とを接続されてもよいし、第６のワイヤ３８０が第３の金属ブロック１７０に接続されていてもよい。これにより、第５のワイヤ３７０、第６のワイヤ３８０が金属ブロック自体に接続されているため、ワイヤ接続の接触抵抗による熱を金属ブロックで効率的に冷却することが可能となる。

以上、本開示の構成を、実施形態に基づいて説明したが、本開示は上記実施の形態に限られない。また、上記実施の形態に記載した材料、数値、形状などは好適なものを例示しているだけであり、それに限定されることはない。さらに、本開示の技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、半導体レーザ装置の構成に適宜変更を加えることは可能である。

本開示に係る半導体レーザ装置は、レーザ素子を冷却するための半導体レーザ装置として広く利用可能である。

１００ 第１のレーザ素子
１１０ 第１の金属ブロック
１２０ 第２のレーザ素子
１３０ 第２の金属ブロック
１４０ 第１の金属部材
１５０ 第４の金属ブロック
１６０ 第２の金属部材
１７０ 第３の金属ブロック
１８０ 第１の絶縁材
１９０ 流路
２００ 流入口
２１０ 流出口
２３０ 第１のワイヤ
２４０ 第２のワイヤ
２５０ 第３のワイヤ
２６０ 半導体レーザ
２７０ 第２の絶縁材
２８０ 第１の金属パッケージ
２９０ 第２の金属パッケージ
３００ 射出面
３１０ 第３のレーザ素子
３２０ 第５の金属ブロック
３３０ 第６の金属ブロック
３４０ 第３の金属部材
３５０ 第４のワイヤ
３６０ 支持台
３７０ 第５のワイヤ
３８０ 第６のワイヤ

Claims (14)

1. 第１のレーザ素子と、
   第２のレーザ素子と、
   前記第１のレーザ素子が搭載される第１の金属ブロックと、
   前記第２のレーザ素子が搭載される第２の金属ブロックと、
   第３の金属ブロックと、
   第４の金属ブロックと、
   前記第１のレーザ素子と前記第４の金属ブロックとに接続される第１の金属部材と、
   前記第２のレーザ素子と前記第３の金属ブロックとに接続される第２の金属部材と、
   前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロック、前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックの内部にある流路と、を備え、
   前記第１の金属ブロックが最上流にあり、前記第２の金属ブロックが前記第１の金属ブロックの下流側にあり、前記第３の金属ブロックが前記第２の金属ブロックの下流側にあり、前記第４の金属ブロックが最下流にある半導体レーザ装置。
2. 前記第１の金属部材は、前記第４の金属ブロックの上面視にて、前記流路に重なる位置で前記第４の金属ブロックに接続され、
   前記第２の金属部材は、前記第３の金属ブロックの上面視にて、前記流路に重なる位置で前記第３の金属ブロックに接続される請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロック、前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックのそれぞれは、互いに絶縁材を介して接続される請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロック、前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックのそれぞれの間に空隙が、設けられ、
   前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロック、前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックのそれぞれは、支持台により接続される請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第１の金属部材と前記第２の金属部材は、銅である請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記流路は、パイプにより構成される請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記流路の形状が、略Ｕ字型である請求項１または６に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記第１の金属部材は、半田により前記第１のレーザ素子と前記第４の金属ブロックとに接続され、
   前記第２の金属部材は、半田により前記第２のレーザ素子と前記第３の金属ブロックとに接続される請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記第１の金属部材と前記第２の金属部材は、ヒートパイプである請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロックのそれぞれに複数のレーザ素子が搭載される請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックのそれぞれに複数の金属部材が接続
    される請求項１または１０に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記第１の金属ブロック、前記第２の金属ブロック、前記第３の金属ブロック、前記第４の金属ブロックのそれぞれは、銅で構成される請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記第１の金属ブロックに接続された第１のワイヤと、
    前記第１のレーザ素子と前記第２の金属ブロックに接続された第２のワイヤと、
    前記第２のレーザ素子に接続された第３のワイヤと、を備える請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記第１の金属ブロックに接続された第１のワイヤと、
    前記第２の金属ブロックと前記第４の金属ブロックに接続された第５のワイヤと、
    前記第３の金属ブロックに接続された第６のワイヤと、を備える請求項１または３に記載の半導体レーザ装置。

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