JP2020161663A

JP2020161663A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2020161663A
Application number: JP2019060074A
Authority: JP
Inventors: 中村　亘志; Nobuyuki Nakamura; 亘志中村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】半導体レーザ素子で発生する熱を効率よく放熱することができる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子と、前記複数の半導体レーザ素子を配置する固定台と、を備える。ここで、前記固定台の上面は底面に対して傾斜面を有し、前記傾斜面に前記半導体レーザ素子が設けられる。この構成により、半導体レーザ素子で発生する熱を効率よく放熱することができる半導体レーザ装置を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

レーザ加工は、レーザ光を用いるため、従来工法と比較して非接触加工、微細加工を実現することができる。特に、半導体レーザ素子を光源として用いるダイレクトダイオードレーザ方式は、レーザ光を変換しないため高効率である。しかしながら、半導体レーザ素子の出力特性は、発光層の温度に強く依存する。高出力領域では電流供給の増加によって発光層からキャリアである電子・正孔キャリアがオーバーフローし、非発光再結合で消費されることで、発光に寄与しない無効電力が増加することで、発光層温度が上昇する。発光層温度の上昇に伴い、半導体レーザ素子の信頼性低下が生じる。

しかしながら、加工用途としてレーザ光を用いるためには、数百ワット〜数キロワットの光出力が必要である。そのため、加工用途としてレーザ光を用いる場合、例えば、発光層の熱分散の観点から半導体レーザ素子には、複数のエミッタを多数並べたアレイ構造が採用される。複数のマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子によれば、それぞれのエミッタから出力されるレーザ光を合成することで、大出力のレーザ光を得ることができる。

例えば、特許文献１においては、複数の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を合成する際、階段状の固定台に複数の半導体レーザ素子を配置し、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を集光レンズ用いて出力される構成になっている。

特開２０１５−１５３８４０号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている構成では、固定台全体を冷却する必要があるため、筐体サイズが大きくなる。もしくは、固定台底部を冷却する場合、階段の最上段と最下段において冷却面である底部と半導体レーザ素子との距離が異なるため発光層温度に差が生じるため、半導体レーザ装置の信頼性低下が生じる課題があった。

半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子と、前記複数の半導体レーザ素子を配置する固定台と、を備える。ここで、前記固定台の上面は底面に対して傾斜面を有し、前記傾斜面に前記半導体レーザ素子が設けられる。

本発明の半導体レーザ装置においては、半導体レーザ素子は固定台の底面に対して傾斜した複数の面上に備えられている。これにより、複数の傾斜面における半導体レーザ素子の発光層位置が冷却部である固定台底面から等距離となるため半導体レーザ素子間での発光層の温度差を抑制することができ、信頼性の高い半導体レーザ装置を提供できる。

実施形態１に係る半導体レーザ装置の側面図である。同半導体レーザ装置の上面図である。実施形態１に係る半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の分解斜視図である。実施形態１に係る半導体レーザ装置の固定台の斜視図である。実施形態１に係る半導体レーザ装置の変形例の側面図である。同変形例の上面図である。実施形態１に係る半導体レーザ装置の別の変形例の上面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。したがって、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における半導体レーザ装置１の側面図である。図２は本実施の形態における半導体レーザ装置１の上面図であり。図３は半導体レーザ素子５の分解斜視図である。図４は半導体レーザ装置１の固定台６の斜視図である。

半導体レーザ装置１は、図１に示すように、傾斜面７を複数有する固定台６と、固定台６の底部に設けられた冷却機構９と、傾斜面７上に固定された半導体レーザ素子５と、前記半導体レーザ素子５から出射されるレーザ光１０をコリメートする図示しない光学素子と、コリメートされたビームを一点に集光する集光レンズ３、導光部２（例えば、１本の光ファイバー、１本のロッドファイバ、部分反射ミラー）を備える。

半導体レーザ素子５は、固定台上に図示しない絶縁性を有するシート上に配置されている。また、半導体レーザ素子５は、図示しない配線によって直列で接続されている。

固定台６は、熱伝導性に優れた金属材料からなり、ワイヤ放電加工や切削加工によって形成する事ができる。固定台６は冷却機構９の上に設けられる。冷却機構９は、金属ブロックを用いてもよいし、内部に水冷機構を組み込まれていてもよい。

傾斜面７は、固定台底面８に対して規定される所定の角度を有する。所定の角度は、０度より大きく、９０度より小さい。

図３に示すように、半導体レーザ素子５は、例えば、熱伝導性に優れた金属材料からなる上面ブロック１２と下面ブロック１５によって、サブマウント１４上に配置された半導体レーザチップ１３を挟み込んだ形態である。

固定穴１１は、上面ブロック１２、下面ブロック１５、固定台６を連通する様に設けられている。この固定穴１１に固定具１６が挿入される事で、半導体レーザ素子５が固定台６に固定される。

サブマウント１４は、熱伝導性に優れた材料(例えば、ダイヤモンド、シリコンカーバイト、銅ダイヤモンド、窒化アルミ、銅タングステンなど)とし、サブマウント１４表面には電極パターンが形成されている。半導体レーザチップ１３はサブマウント１４上に半田などにより実装されている。また、傾斜面７は、前列から後列にかけてほぼ同じ傾きを有している。このため、半導体レーザ素子５は、（側面視において）互いにほぼ同じ高さに配置される。この構成により、固定台６の底面を階段状にし、この階段に半導体レーザを配置する場合と比べて、前列に配置される半導体レーザ素子５の発光層と冷却機構９の距離と後列に配置される半導体レーザ素子５の発光層と冷却機構９の距離との差が小さくなる。これにより、半導体レーザ素子５間での放熱ばらつきが低減する。結果、半導体レーザ素子５間での発光層の温度差が低減される。結果、半導体レーザ装置１の信頼性が向上する。

図５は、本実施の形態における半導体レーザ装置の変形例の側面図である。図６は、同変形例の上面図である。図５、６に記載の様に、集光レンズ３と半導体レーザ素子５の間に角度変換素子４(例えばプリズムや透過型の波長分散素子、あるいは反射型の波長分散素子など)を配置することで、レーザ光１０を一点に集光することができる。

前列と後列の半導体レーザ素子５の発振波長を変化させる（例えば前列をＧａＮを母材とする半導体レーザ、後列をＧａＡｓを母材とする半導体レーザとする）ことで、角度変換素子４との組み合わせにより、複数の発振波長のレーザ光１０の高密度化が可能である。

図７は、本実施の形態における半導体レーザ装置の別の変形例の上面図である。図７に記載の様に、同一列にある半導体レーザ素子５のレーザ光１０の出射方向を中央の半導体レーザ素子５に対して傾斜させることで、レーザ光１０の高密度化が可能である。

本開示に係る半導体レーザ装置は、放熱性に優れるので、プロジェクタ等に用いられる画像表示用光源、レーザ加工装置に用いられる加工用光源又は産業用スポット照明等に用いられる照明用光源等として利用することができ、特に、比較的に高い光出力を必要とする機器の光源として有用である。

１半導体レーザ装置
２導光部
３集光レンズ
４角度変換素子
５半導体レーザ素子
６固定台
７傾斜面
８固定台底面
９冷却機構
１０レーザ光
１１固定穴
１２上面ブロック
１３半導体レーザチップ
１４サブマウント
１５下面ブロック
１６固定具

Claims

複数の半導体レーザ素子と、
前記複数の半導体レーザ素子を配置する固定台と、を備え、
前記固定台の上面は、前記固定台の底面に対して傾斜した傾斜面を有し、前記複数の半導体レーザ素子は、前記傾斜面に設けられる、
半導体レーザ装置。
傾斜面の角度は、前記固定台の底面に対して、０度より大きく、９０度より小さい請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記傾斜面は、前列から後列にかけてほぼ同じ傾きを有し、前記複数の半導体レーザ素子は、側面視において、互いに略同じ高さに配置される請求項１の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子の前面に配置されたビーム整形光学素子と、
前記半導体レーザ素子が出射するレーザの出射方向に配置された、レーザの光軸を変換する光学素子と、を更に備える請求項１に記載の半導体レーザ装置。