JP2021057512A - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズを低減しつつ、半導体レーザの高出力化を図った半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。【解決手段】半導体レーザ光源装置は、複数の半導体レーザ素子が隣り合って配列された半導体レーザ光源装置であって、前記複数の半導体レーザ素子に属する複数の第一素子が配置された第一素子領域と、前記複数の半導体レーザ素子に属し前記第一素子よりも発光波長の短い複数の第二素子が配置された第二素子領域とを有し、前記第一素子領域は、前記第二素子領域よりも内側の位置において、前記第二素子領域に挟まれるように配置されている。【選択図】図４

Description

この発明は、半導体レーザ光源装置に関する。

プロジェクタ等の光源に用いる半導体レーザ素子が開発されている。半導体レーザ素子を複数配列して半導体レーザ光源装置を構成し、該半導体レーザ光源装置を、例えば、赤、緑及び青に対応する波長の光をそれぞれ出射する３種類用意して画像光を形成する。特許文献１及び特許文献２には、それぞれ、半導体レーザ素子を複数配列した半導体レーザ光源装置が記載されている。

このような半導体レーザ光源装置において、従来から、レーザ光の照射面や観測者の網膜上に、スペックルノイズと呼ばれる光の強弱のあるノイズを発生させることが問題となっている。スペックルノイズは、出射光が互いに干渉して光を強め合ったり弱め合ったりすることにより発生する。

特許文献３には、スペックルノイズの低減（「デスペックル効果」又は「スペックルコントラストの低減」ともいう。）を得るために、異なる波長を出射する半導体レーザ素子を組み合わせた光源装置を使用することが記載されている。異なる波長を組み合わせて多波長化を図ることで、異なる半導体レーザ素子から出射した光が干渉しにくくなり、スペックルノイズが低減する。

国際公開第２０１６／１３２６２２号 特開２０１６−０５１７５５号公報 特開２０１５−０５２６２６号公報

近年、プロジェクタ等の高輝度化を図るため、半導体レーザ光源装置の高出力化が要請されている。高出力化の要請は、スペックルノイズを低減するために多波長化させた半導体レーザ光源装置も例外ではない。

本発明は、スペックルノイズを低減しつつ、高出力化を図った半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ光源装置は、複数の半導体レーザ素子が隣り合って配列された半導体レーザ光源装置であって、
前記複数の半導体レーザ素子に属する複数の第一素子が配置された第一素子領域と、前記複数の半導体レーザ素子に属し前記第一素子よりも発光波長の短い複数の第二素子が配置された第二素子領域とを有し、
前記第一素子領域は、前記第二素子領域よりも内側の位置において、前記第二素子領域に挟まれるように配置されている。

第一素子と第二素子という異なる発光波長のレーザ素子を使用することで、スペックルノイズを低減できる。そして、詳細は後述するが、本発明者は、出射光が短波長に向かうほど、温度上昇に伴う半導体レーザ素子の光出力の低下量が大きくなることを見出した。

そこで、半導体レーザ光源装置において、第一素子が配置された第一素子領域を、発光波長の短い複数の第二素子が配置された第二素子領域に挟まれるように配置する。第一素子領域は、第二素子領域よりも内側の位置において第二素子領域に挟まれているため、半導体レーザ素子の発光に伴い、第一素子領域は比較的高温状態となる。他方、第二素子領域は、第一素子領域の外側に位置するため、第二素子領域は比較的低温状態を保つ。そのため、比較的低温状態を保つ外側に、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けやすい第二素子を配置し、比較的高温状態になる内側に、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けにくい第一素子を配置している。これにより、第一素子に優先して第二素子の、発熱に伴う光出力の低下を抑制できる。また、上記のように第一素子と第二素子とを配置すると、スペックルノイズのさらなる低減に寄与する。

前記複数の半導体レーザ素子の各々は、ＧａＡｓ系材料で構成された活性層を含む半導体レーザチップを有し、発光波長が赤色光帯域であると好ましい。詳細は後述するが、ＧａＡｓ系材料で構成された活性層を含む半導体レーザチップで、赤色光帯域の発光波長を出射するとき、とりわけ温度上昇に伴う出力低下が大きい。そのため、本発明の半導体レーザ光源装置は、ＧａＡｓ系材料で構成された活性層を含む半導体レーザチップを有し、発光波長が赤色光帯域であるときに、半導体レーザ光源装置の高出力化効果が大きい。

前記複数の半導体レーザ素子を平面状に配列した状態で固定する固定部材を有し、前記第一素子領域と前記第二素子領域とが同一の固定部材上に形成されていても構わない。第一素子領域と第二素子領域とが同一の固定部材上に形成されることで、第一素子と第二素子との間の温度差を小さくして、レーザ素子の全体的な出力向上を図ることができる。

また、前記第一素子領域は、２行２列で前記第一素子を配置する領域であり、前記第二素子領域は、前記第一素子領域を行方向に挟み込むように離間した２箇所に配置され、１行２列で前記第二素子を配置する領域でも構わない。

前記複数の半導体レーザ素子を平面状に配列した状態で固定する、複数の固定部材を有しても構わない。前記固定部材の少なくとも一つにおいて、２行２列で前記第一素子を配置する第一素子領域と、前記第一素子領域を行方向に挟み込むように離間した２箇所に配置され、１行２列で前記第二素子を配置する第二素子領域と、を有しても構わない。

前記第一素子領域及び前記第二素子領域の双方が、前記複数の固定部材にまたがって形成されていても構わない。

前記第一素子領域は、前記第二素子領域によって外周を取り囲まれており、前記第二素子領域よりも外側には前記第一素子領域が配置されていなくても構わない。

前記第一素子の個数は前記第二素子の個数に等しくても構わない。

前記複数の半導体レーザ素子の各々を個別に封止するキャンパッケージを備えても構わない。

前記第一素子領域に配置された前記第一素子と前記第二素子領域に配置された前記第二素子とにまたがるように、一体的に封止するマルチチップパッケージを備えても構わない。

これにより、多波長化した半導体レーザの高出力化を図ることができる。多波長化した半導体レーザ光源装置において、スペックルノイズを低減しつつ、半導体レーザの高出力化を図ることができる。

第１実施形態に係る半導体レーザ光源装置を模式的に示す全体斜視図である。 図１Ａの複数の半導体レーザ素子からキャップを除いた、半導体レーザ光源装置の全体斜視図である。 図１Ａの半導体レーザ光源装置から半導体レーザ素子を取り除いた全体斜視図である。 複数の半導体レーザ素子から出射される光のスペクトルを示す図である。 選択した二つの半導体レーザ素子から出射される光のスペクトルを示す図である。 半導体レーザ素子を構成するレーザチップの構造例を示す図である。 図３Ａのレーザチップのエネルギーバンドを示す図である。 図１Ａに示された半導体レーザ光源装置の上面図である。 第２実施形態に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第２実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第２実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第３実施形態に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第３実施形態の変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第４実施形態に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第４実施形態の変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。 第５実施形態に係る半導体レーザ光源装置の斜視図である。 比較例の半導体レーザ光源装置の上面図である。

本発明に係る半導体レーザ光源装置につき、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下の説明において、半導体レーザ素子の光出射方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向に直交する面をＸＹ平面とする、ＸＹＺ座標系を適宜参照して説明される。また、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｚ方向」、「−Ｚ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｚ方向」と記載されている場合には、「＋Ｚ方向」と「−Ｚ方向」の双方が含まれる。Ｘ方向及びＹ方向についても同様である。

＜第１実施形態＞
［半導体レーザ光源装置の構造］
図１Ａは、第１実施形態に係る半導体レーザ光源装置を模式的に示す全体斜視図である。図１Ａに示されるように、半導体レーザ光源装置１００は、固定部材１１上に複数の半導体レーザ素子が隣り合って配列されている。複数の半導体レーザ素子は、第一素子１０及び第二素子２０から構成される。第一素子１０及び第二素子２０の各々は、窓（１０ｗ，２０ｗ）のあるキャップ（１０ｆ，２０ｆ）に覆われており、該窓から＋Ｚ方向にレーザを出射する。

図１Ｂは、図１Ａの複数の半導体レーザ素子（１０，２０）の各々からキャップ（１０ｆ，２０ｆ）を除いた、半導体レーザ光源装置の全体斜視図である。第二素子２０は、それぞれ、ステム２０ａ、サブマウント２０ｂ、半導体レーザチップ２０ｃ、放熱ブロック２０ｄ、給電ピン２０ｅ、及びキャップ２０ｆを有している。また、第一素子１０も、第二素子２０と同様に、それぞれ、ステム、サブマウント、レーザチップ、放熱ブロック、給電ピン及びキャップを有している。以下、半導体レーザ素子（１０，２０）の構成部材に係る説明は、第二素子２０の構成部材について行うが、第一素子１０の構成部材についても同様に説明される。

半導体レーザチップ２０ｃは、基板と基板上に積層された多層の半導体層とを含んでなり、半導体層の構成材料に応じて決定される固有の波長のレーザ光を出射する。レーザ光の固有の波長については後述する。

サブマウント２０ｂは、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザチップ２０ｃに対する給電のための電気的な接続が形成される。また、サブマウント２０ｂは、半導体レーザチップ２０ｃの発光に伴い生じる熱を、放熱ブロック２０ｄ側に導く機能も有している。サブマウント２０ｂは、放熱性、絶縁性、半導体レーザチップ２０ｃとの線膨張係数差等に鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウント２０ｂは、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＣｕＷ等の材料で構成される。

ステム２０ａは、鉄（Ｆｅ）やコバール等の鉄合金、銅（Ｃｕ）、銅合金等を利用することができる。ステム２０ａの一部には貫通穴が設けられており、この貫通穴内に絶縁材料としての低融点ガラスを介して、給電ピン２０ｅが挿入される。

給電ピン２０ｅは、コバール等の導電性材料で構成される。給電ピン２０ｅは、１個の半導体レーザチップ２０ｃに対して２本設けられ、これらの給電ピン２０ｅによって半導体レーザチップ２０ｃに対して電流が供給され、半導体レーザチップ２０ｃからレーザＬ２が出射される。

キャップ２０ｆはステム２０ａと接合され、外部に対して封止される。本実施形態では、半導体レーザ素子（１０，２０）は、それぞれ、個別に封止されるキャンパッケージと言われる構造を呈する。

図１Ｃは、半導体レーザ光源装置１００から、半導体レーザ素子（１０，２０）を取り除いた全体斜視図である。固定部材１１は、複数の半導体レーザ素子（１０，２０）を平面上に配列した状態で固定するための部材である。本実施形態では、全ての半導体レーザ素子（全ての第一素子と全ての第二素子）が、同一の固定部材１１上に形成されている。固定部材１１には、半導体レーザ素子（１０，２０）のステムを嵌合するための凹部１３が形成されている。この凹部１３は、固定部材１１に保持される対象の半導体レーザ素子（１０，２０）の数に応じて設けられる。各々の凹部１３の底面には、半導体レーザ素子（１０，２０）の給電ピンを通すための貫通孔１３ａを有する。固定部材１１の形状及び厚みは特に限定されない。

固定部材１１は、熱伝導性の良好な材料で形成されていることが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属材料や、ＡｌＮ等のセラミックス等で構成することができる。より好ましくは、熱伝導率の観点から無酸素銅やアルミニウム合金を材料として構成される。また、固定部材１１の表面には、ステムとの半田による接合性を高めるため、金属メッキが形成されていることが好ましい。金属メッキは、例えば、金、銀、ニッケル等で構成することができる。

図１Ｂに示されるように、本実施形態における第一素子１０は、同じ発光波長のレーザＬ１を出射し、第二素子２０は同じ発光波長のレーザＬ２を出射する。レーザＬ２の発光波長は、レーザＬ１の発光波長よりも短い。

本明細書における発光波長の同異及び長短について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。半導体レーザ光源装置の備える、複数の半導体レーザ素子から出射される全体の光に対して、面積が１となるように、スペクトル（波長λに対するスペクトル強度Ｉのグラフ）を算出する。図２Ａは、複数の半導体レーザ素子から出射される全体の光における、波長λに対するスペクトル強度Ｉのグラフである。

そして、複数の半導体レーザ素子から二つの半導体レーザ素子を選択し、各々の半導体レーザ素子の光（以降、第一光と第二光という。）のスペクトルを算出する。図２Ｂは、第一光と第二光各々の、波長λに対するスペクトル強度Ｉのグラフである。次に、第一光と第二光のスペクトルの重複部分（図２Ｂにおける斜線部）の面積を算出する。重複部分の面積が規定値以下である場合に、第一光と第二光は異なる波長であると定義される。

具体的には、重複部分の面積が０．２４以下である場合に異なる波長である。好ましくは、重複部分の面積が０．０７以下である場合に、異なる波長である。より好ましくは、重複部分の面積が０．０７以下であり且つ、各々の半導体レーザ素子のピーク波長がスペクトルの半値全幅の平均値以上離れている場合に、異なる波長である。

異なる波長である場合において、第一光の最大ピーク波長が第二光の最大ピーク波長よりも短波長側に位置するとき、第一光の発光波長は第二光の発光波長よりも短い、と定義される。第一光の最大ピーク波長が第二光の最大ピーク波長よりも長波長側に位置するとき、第一光の発光波長は第二光の発光波長よりも長い、と定義される。第一光と第二光のスペクトルの重複部分の面積が上記規定値を超えるとき、第一光と第二光は等しい波長である。また、発光波長を数値で示す場合、出射する光のスペクトルの最大ピーク波長の数値を発光波長の数値とする。

ところで、半導体レーザ素子は光の出射に伴い発熱する。特に、複数の半導体レーザ素子（１０，２０）が隣り合って配列され、密集状態を形成する半導体レーザ光源装置１００では、熱が逃げにくいため、光の出射に伴い各半導体レーザ素子の温度が上昇する傾向にある。

［半導体レーザ素子の出力の温度依存性］
半導体レーザ素子の温度が上昇すると、半導体レーザ素子の光出力が低下することが知られている。この事象を、図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら説明する。図３Ａは、半導体レーザ素子を構成するレーザチップの構造例を示し、図３Ｂは、該レーザチップのエネルギーバンドを示している。

レーザ光が発光する原理を簡単に示す。レーザチップ４０は、エネルギーギャップの大きいｐ型クラッド層４１とｎ型クラッド層４２との間に、エネルギーギャップの小さい活性層４３が挟まれる構造を有している。図３Ｂにおいて、活性層４３は、相対的に狭いエネルギーギャップＥｇ（ａ）を有し、ｐ型クラッド層４１及びｎ型クラッド層４２は、相対的に広いエネルギーギャップＥｇ（ｃ）を有するように表される。両クラッド層に対し順方向電圧をかけると、ｐ型クラッド層４１から活性層４３に向かって正孔ｈが供給され、ｎ型クラッド層４２から活性層４３に向かって電子ｅが供給される。そうすると、活性層４３において、量子井戸Ｗに閉じ込められた伝導帯Ｂ２にある電子ｅが、エネルギーギャップＥｇ（ａ）を越えて価電子帯Ｂ１にある正孔ｈと再結合し、自然放出光ｈνを発生させる。

活性層４３では、エネルギー状態が反転した反転分布の状態にあるため、発生した自然放出光ｈνを起点に誘導放出光を誘発する。このとき、クラッド層の屈折率（４１，４２）は、活性層４３の屈折率に比べて低いため、活性層４３で発生した誘導放出光は、クラッド層（４１，４２）で全反射され、光増幅される。斯くして、レーザ光を発振する。

ここで、レーザチップ４０の温度が上昇すると、レーザチップ４０内の電子ｅの熱振動により、量子井戸Ｗに閉じ込められた電子ｅがｐ型クラッド層４１へ散逸し、量子井戸Ｗ内の電子ｅの量が減少する。量子井戸Ｗ内の電子ｅの量が減少すると、エネルギーギャップＥｇ（ａ）を越えて正孔ｈと再結合可能な電子ｅの量が減少し、再結合確率が低下する。その結果、誘導放出光の発生量が減少して、光出力が低下する。そのため、半導体レーザ素子の温度が上昇すると、該素子の光出力が低下する。

［発光波長によって異なる光出力の温度依存性］
本発明者は、鋭意研究の結果、光出力の温度依存性は、発光波長によって異なることを見出した。より詳細には、ある類似の構造を呈する半導体レーザ素子群において、発光波長が短波長に向かうほど、温度上昇に伴う光出力の低下が大きくなることを見出した。これは、以下の理由によると考えられる。

活性層４３をＧａＡｓで構成した半導体レーザ素子を例に説明する。ＧａＡｓで構成された活性層４３を有する半導体レーザ素子の発光波長は、通常、８００〜９００ｎｍの近赤外帯域である。しかしながら、活性層４３を構成するＧａＡｓにＩｎやＰ等の種々の添加元素を加えるなど、半導体レーザ素子が類似の構造を呈する中で種々の変更を加えると、活性層４３のエネルギーギャップＥｇ（ａ）を拡大させることができる。これにより、ＧａＡｓ系の活性層４３を有する半導体レーザ素子の発光波長の短波長化を図り、発光波長を、例えば、近赤外帯域から６４２ｎｍや６３８ｎｍ等の赤色光帯域に変更することができる。

しかしながら、活性層４３のエネルギーギャップＥｇ（ａ）を拡大して発光波長の短波長化を行うと、活性層４３とｐ型クラッド層４１とのバンド不連続が小さくなる。これにより、上述したｐ型クラッド層４１への電子ｅの散逸が生じやすくなる。よって、発光波長が短波長に向かうほど、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けやすくなる。

例えば、発光波長が６３８ｎｍのレーザチップと発光波長が６４２ｎｍのレーザチップとは類似の構造を呈する。そして、発光波長が６３８ｎｍであるレーザチップは、発光波長が６４２ｎｍであるレーザチップよりも、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けやすい。つまり、発光波長が６３８ｎｍであるレーザチップと、発光波長が６４２ｎｍであるレーザチップの温度上昇幅が同じである場合、発光波長が６３８ｎｍであるレーザチップの光出力は、発光波長が６４２ｎｍであるレーザチップの光出力よりも低下する。

以上では、半導体レーザ光源装置の高出力化効果が大きい、発光波長が赤色光帯域のＧａＡｓ系材料で構成された活性層を含むレーザチップを例に説明したが、上述した事象は、赤色以外の帯域又は他の材料で構成されたレーザチップでも起こり得る。

［発光波長が異なる半導体レーザ素子の配列］
発光波長が短波長に向かうほど、温度上昇に伴う光出力の低下が大きくなる事象を踏まえて、第一素子１０と、第一素子１０よりも発光波長の短い第二素子２０と、が隣り合って配列された半導体レーザ光源装置における、両素子の配列について説明する。

図４は、図１Ａに示された半導体レーザ光源装置の上面図（＋Ｚ方向（上方）から−Ｚ方向（下方）に見た図）である。本実施形態の半導体レーザ光源装置１００において、半導体レーザ素子（１０，２０）は、４行２列で平面状に配列した状態（Ｙ方向を行としＸ方向を列とすると、Ｙ方向に４個分並びＸ方向に２個分並ぶ状態）で、単一の固定部材に固定されている。そして、第一素子領域１５は、第二素子領域２５よりも内側の位置において、第二素子領域２５に挟まれるように配置されている。具体的には、４行２列の半導体レーザ素子のうち行方向（Ｙ方向）中央に位置する２行２列を第一素子領域１５とし、第一素子領域１５を行方向に挟み込むように離間した２箇所に１行２列の第二素子領域２５を配置している。

図４では、各半導体レーザ素子のキャップ（１０ｆ，２０ｆ）を斜線でハッチングして示している。キャップに囲まれた領域は、レーザ（Ｌ１，Ｌ２）を出射する窓（１０ｗ，２０ｗ）である。本実施形態において、第一素子１０及び第二素子２０は、共にＧａＡｓ系材料で構成された活性層を有し、第一素子領域１５の第一素子１０は６４２ｎｍ波長のレーザを出射し、第二素子領域２５の第二素子２０は６３８ｎｍ波長のレーザを出射する。両半導体レーザ素子（１０，２０）が異なる二種類の波長の光を出射するため、それぞれの素子からの出射光が干渉しにくくなり、スペックルノイズを低減できる。

上述したように、半導体レーザ素子（１０，２０）は発光に伴い発熱する。このとき、第一素子領域１５は、第二素子領域２５に挟まれた内部に位置するため、第一素子領域１５に属する第一素子１０では、熱が溜まり易く比較的高温状態となる。他方、第二素子領域２５は第一素子領域１５の外側に配置されているから、第二素子領域２５に属する第二素子２０では、熱が逃げて比較的低温状態を保つ。そのため、比較的低温状態を保つ外側に、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けやすい第二素子２０を配置し、比較的高温状態になる内側に、温度上昇に伴う光出力の低下の影響を受けにくい第一素子１０を配置している。これにより、第一素子１０に優先して第二素子２０の、発熱に伴う光出力の低下を抑制できる。そして、隣り合って配列された半導体レーザ素子（１０，２０）全体での光出力を向上できる。斯くして、半導体レーザ光源装置全体での高輝度化が図られる。また、後述する実施例で詳述するが、上述の半導体レーザ素子の配列は半導体レーザ素子間の出力の平準化につながり、スペックルノイズの低減にも寄与する。

図４では、単一の固定部材１１上に、半導体レーザ素子（１０，２０）を４行２列で配置した半導体レーザ光源装置１００を示したが、行数及び列数は特に限定されない。ただし、行数及び列数を増やすほど、熱が溜まり易くなり光出力を低下させやすい。行数及び列数が少ないと、熱が逃げやすく光出力は安定する。さらに、キャンパッケージの半導体レーザ素子を、一つの固定部材に４行２列で配列すると、半導体レーザ素子を高密度に配置でき、電気配線を容易にするといった効果が得られる。また、第一素子１０と第二素子２０の個数比は適宜設定できる。しかしながら、本実施形態のように、波長の異なる素子の個数を同数に設定すると、スペックルノイズの低減効果が大きい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、半導体レーザ光源装置を下記の如く構成したこと以外は、第１実施形態と同様であるため、共通した事項について記載を省略する。続く変形例及び他の実施形態についても同様である。半導体レーザ素子の発光波長も、第１実施形態と同様であるため、記載を省略する。続く変形例及び実施形態についても同様である。

図５Ａは、第２実施形態に係る半導体レーザ光源装置２００の上面図である。半導体レーザ光源装置２００において、２枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ）がＸ方向に隣り合って配列され、それぞれの固定部材には半導体レーザ素子（１０，２０）が４行２列で配列された状態（Ｙ方向に４個分並びＸ方向に２個分並ぶ状態）で固定されている。その結果、半導体レーザ光源装置２００では、複数の半導体レーザ素子が隣り合って４行４列に配列される。半導体レーザ素子が互いに異なる固定部材に配置されていても、半導体レーザ素子が隣り合うように配置されると、互いに熱の影響を及ぼし合う。

そして、半導体レーザ光源装置２００のうち、行方向（Ｙ方向）中央の２行４列を第一素子領域１５に設定している。そして、第一素子領域１５をＹ方向に挟み込むように離間した２か所に、１行４列の第二素子領域２５を設定している。よって、本実施形態では、第一素子領域１５及び第二素子領域２５の双方が、２枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ）にまたがって形成されている。これにより、第一素子領域１５の第一素子１０に優先して第二素子領域２５の第二素子２０の光出力の低下を抑制し、隣り合う半導体レーザ素子（１０，２０）全体での光出力を向上できる。

図５Ｂは、第２実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。半導体レーザ光源装置３００において、３枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）がＸ方向に隣り合って配列されている。それぞれの固定部材には半導体レーザ素子（１０，２０）が４行２列で配列した状態（Ｙ方向に４個分並びＸ方向に２個分並ぶ状態）で固定されている。その結果、半導体レーザ光源装置３００では、複数の半導体レーザ素子（１０，２０）が隣り合って４行６列に配列される。

そして、半導体レーザ光源装置３００のうち、行方向（Ｙ方向）中央の２行６列を第一素子領域１５とし、第一素子領域１５をＹ方向に挟み込むように離間した２か所に、１行６列の第二素子領域２５を配置している。そして、本変形例では、第一素子領域１５及び第二素子領域２５の双方が、３枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）にまたがって形成されている。これにより、第一素子領域１５の第一素子１０に優先して第二素子領域２５の第二素子２０の光出力の低下を抑制し、隣り合う半導体レーザ素子（１０，２０）全体での光出力を向上できる。また、４枚以上の固定部材でも同様にできる。

図６は、第２実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。半導体レーザ光源装置４００は、３枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）がＸ方向に隣り合って配列され、Ｘ方向中央の固定部材１１ｂに第一素子領域１５を配置し、Ｘ方向両側（１１ａ，１１ｃ）の固定部材に第二素子領域２５を配置している。同一の固定部材内で同一素子が使用されるため、設計及び製造の単純化が図られる。

そして、固定部材１１ｂに配置された半導体レーザ素子の温度上昇幅は、固定部材（１１ａ，１１ｃ）に配置された半導体レーザ素子の温度上昇幅よりも大きいため、本変形例においても、第一素子領域１５の第一素子１０に優先して第二素子領域２５の第二素子２０の光出力の低下を抑制し、隣り合う半導体レーザ素子（１０，２０）全体での光出力を向上できる。また、４枚以上の固定部材でも同様に温度上昇による光出力の低下を抑制し、全体として光出力を向上できる。

＜第３実施形態＞
図７Ａは、第３実施形態に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。半導体レーザ光源装置５００において、２枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ）がＸ方向に隣り合って配列され、それぞれの固定部材には半導体レーザ素子（１０，２０）が４行２列で配列した状態で固定されている。その結果、半導体レーザ光源装置５００では、複数の半導体レーザ素子が隣り合って４行４列に配列される。

そして、半導体レーザ光源装置５００のうち、行方向（Ｙ方向）中央かつ列方向（Ｘ方向）中央の２行２列を第一素子領域１５とし、第一素子領域１５をＸ方向及びＹ方向に挟み込むように（すなわち、第一素子領域１５の外周を取り囲むように）、第二素子領域２５を配置している。第二素子領域２５の外側には第一素子領域１５が配置されていない。よって、多くの第二素子を熱の逃げやすい最外側に配置できる。

図７Ｂは、第３実施形態の変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。半導体レーザ光源装置６００において、３枚の固定部材（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）がＸ方向に隣り合って配列されている。それぞれの固定部材には半導体レーザ素子（１０，２０）が４行２列で配列した状態（Ｙ方向に４個分並びＸ方向に２個分並ぶ状態）で固定されている。その結果、半導体レーザ光源装置６００では、複数の半導体レーザ素子が隣り合って４行６列に配列される。

そして、半導体レーザ光源装置６００のうち、行方向（Ｙ方向）中央かつ列方向（Ｘ方向）中央の２行４列を第一素子領域１５とし、第一素子領域１５をＸ方向及びＹ方向に挟み込むように（すなわち、第一素子領域１５の外周を取り囲むように）、第二素子領域２５を配置している。第二素子領域２５の外側には第一素子領域１５が配置されていない。多くの第二素子を熱の逃げやすい最外側に配置できる。

＜第４実施形態＞
上述の実施形態における半導体レーザ光源装置は、複数の半導体レーザ素子の各々を個別に封止するキャンパッケージを有するものであった。本実施形態の半導体レーザ光源装置は、複数の半導体レーザ素子においてステム及びキャップを共通化し、該ステム及びキャップを用いて複数の半導体レーザ素子を一体的に封止するマルチチップパッケージを有する。

図８は、第４実施形態に係る半導体レーザ光源装置の上面図（レーザ出射方向である＋Ｚ方向から見た図）である。説明のため、複数の半導体レーザ素子を覆うキャップは図示していない。本実施形態における半導体レーザ光源装置７００は、半導体レーザ素子３をＸ方向に８個並べてレーザ素子モジュール５を形成し、レーザ素子モジュール５をＹ方向に６個並べて形成してなる。波長の短い第二素子の属する第二素子領域２５は、Ｙ方向両端にあるレーザ素子モジュールで構成され、第二素子領域２５に挟まれている第一素子領域１５は、Ｙ方向両端を除くレーザ素子モジュールで構成される。

マルチチップパッケージは、半導体レーザ素子が密集して配置されるとともに、複数の半導体レーザ素子を一体的に封止するため、キャンパッケージに比べて熱が溜まり易く冷却も困難である。よって、半導体レーザ素子の温度が上がりやすい。ゆえに、上述した半導体レーザ素子の配列構成は、光出力の低下を効果的に抑制できる。

図９は、第４実施形態の変形例に係る半導体レーザ光源装置の上面図である。半導体レーザ光源装置をレーザ出射方向（＋Ｚ方向）から見た図である。説明のため、半導体レーザ素子を封止するキャップは図示していない。本実施形態における半導体レーザ光源装置７５０は、ＸＹ方向の中央に第一素子領域１５が形成され、第一素子領域１５をＸ方向及びＹ方向に挟み込むように（すなわち、第一素子領域１５の外周を取り囲むように）、第二素子領域２５を配置している。この変形例では、一つのレーザ素子モジュールの中に、発光波長の異なる半導体レーザ素子が混在している。

第二素子領域２５は、第一素子領域１５に接して外周を取り囲む内側第二素子領域２５ｉと、内側第二素子領域２５ｉに接して外周を取り囲む外側第二素子領域２５ｏとから構成される。外側第二素子領域２５ｏに配置された半導体レーザ素子の発光波長は、内側第二素子領域２５ｉに配置された半導体レーザ素子の発光波長よりも短い。つまり、半導体レーザ光源装置７５０は、固有の発光波長を有する半導体レーザ素子が３種類あり、半導体レーザ光源装置のＸ，Ｙ方向内側から外側に向かって、発光波長が短くなるように配置されている。

＜第５実施形態＞
図１０は、第５実施形態に係る半導体レーザ光源装置の斜視図である。半導体レーザ光源装置８００は、６個の半導体レーザ光源装置７０を、Ｙ方向に３個並べ、Ｘ方向に２個並べて構成される。半導体レーザ光源装置７０の各々は、Ｙ方向に並ぶ８個のレーザ素子から構成される。なお、本図面において、半導体レーザ光源装置７０の各々に設けられるキャップは図示していない。

図１０において、Ｙ方向中央の半導体レーザ光源装置７０は、第一素子１０が配置される第一素子領域１５に含まれ、Ｙ方向両端の半導体レーザ光源装置７０は、第二素子２０が配置される第二素子領域２５に含まれる。

図４に示した半導体レーザ光源装置１００を準備した。半導体レーザ光源装置１００は、単一の固定部材１１上にキャンパッケージの半導体レーザ素子を４行２列に配列されたものである。行方向中央の２行２列を第一素子領域１５とし、第一素子領域１５を行方向に挟み込むように離間した２箇所に１行２列の第二素子領域２５を配置している。第一素子領域１５の第一素子は、発光波長が６４２ｎｍの半導体レーザ素子（以下、「６４２ｎｍＬＤ」という）である。第二素子領域２５の第二素子は、発光波長が６３８ｎｍの半導体レーザ素子（以下、「６３８ｎｍＬＤ」という）である。

比較例として、図１１に半導体レーザ光源装置の上面図を示す。半導体レーザ光源装置９００は、単一の固定部材１１上にキャンパッケージの半導体レーザ素子を４行２列に配列されたものである。−Ｘ側の４行１列は第一素子領域３５であり、＋Ｘ側の４行１列は第二素子領域４５である。第一素子領域３５の第一素子は６４２ｎｍＬＤである。第二素子領域４５の第二素子は６３８ｎｍＬＤである。つまり、比較例における第一素子領域３５は、第二素子領域４５よりも内側の位置において、第二素子領域４５に挟まれるように配置されていない。

実施例１と比較例それぞれの半導体レーザ光源装置を点灯させ、半導体レーザ光源装置が十分に温度上昇するのを待った後に、各半導体レーザ素子の光出力を計測した。
計測にはサーモパイル型のパワーメータを使用し、半導体レーザ光源装置を出射した直後のビームを補足して計測を行った。表１に計測結果を示す。

実施例１を、比較例と比較分析する。実施例１では、４個の６４２ｎｍＬＤを内側に配置したので、６４２ｎｍＬＤが全体的に温度上昇しやすく、６４２ｎｍＬＤの１個当たり平均出力が０．０９Ｗ低下した。しかしながら、４個の６３８ｎｍＬＤを外側に配置したことで、６３８ｎｍＬＤの全体的な温度上昇を抑制し、６３８ｎｍＬＤの１個当たり平均出力が０．２３Ｗ上昇した。その結果、８個のＬＤ出力合計は０．６Ｗ上昇した。ＬＤ出力合計が上昇したので、半導体レーザ光源装置の高輝度化が図られた。また、実施例１における６３８ｎｍＬＤと６４２ｎｍＬＤとの間の平均出力の差が小さくなった。発光波長の違いによる出力差が小さくなることは、スペックルノイズの低減に寄与する。

本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。

３ ：半導体レーザ素子
５ ：レーザ素子モジュール
１０ ：第一素子
１０ｆ ：キャップ
１１ ：固定部材
１１ａ ：固定部材
１１ｂ ：固定部材
１１ｃ ：固定部材
１３ ：凹部
１３ａ ：貫通孔
１５ ：第一素子領域
２０ ：第二素子
２０ａ ：ステム
２０ｂ ：サブマウント
２０ｃ ：半導体レーザチップ
２０ｄ ：放熱ブロック
２０ｅ ：給電ピン
２０ｆ ：キャップ
２５ ：第二素子領域
２５ｉ ：内側第二素子領域
２５ｏ ：外側第二素子領域
３５ ：（比較例における）第一素子領域
４０ ：レーザチップ
４１ ：ｐ型クラッド層
４２ ：ｎ型クラッド層
４３ ：活性層
４５ ：（比較例における）第二素子領域
７０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、７５０、８００、９００ ：半導体レーザ光源装置

Claims (11)

1. 複数の半導体レーザ素子が隣り合って配列された半導体レーザ光源装置であって、
   前記複数の半導体レーザ素子に属する複数の第一素子が配置された第一素子領域と、前記複数の半導体レーザ素子に属し前記第一素子よりも発光波長の短い複数の第二素子が配置された第二素子領域とを有し、
   前記第一素子領域は、前記第二素子領域よりも内側の位置において、前記第二素子領域に挟まれるように配置されている、ことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
2. 前記複数の半導体レーザ素子の各々は、ＧａＡｓ系材料で構成された活性層を含む半導体レーザチップを有し、発光波長が赤色光帯域である、請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
3. 前記複数の半導体レーザ素子を平面状に配列した状態で固定する固定部材を有し、
   前記第一素子領域と前記第二素子領域とが同一の固定部材に形成されている、請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
4. 前記第一素子領域は、２行２列で前記第一素子を配置する領域であり、
   前記第二素子領域は、前記第一素子領域を行方向に挟み込むように離間した２箇所に配置され、１行２列で前記第二素子を配置する領域である、請求項３に記載の半導体レーザ光源装置。
5. 前記複数の半導体レーザ素子を平面状に配列した状態で固定する、複数の固定部材を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ光源装置。
6. 前記固定部材の少なくとも一つにおいて、２行２列で前記第一素子を配置する第一素子領域と、前記第一素子領域を行方向に挟み込むように離間した２箇所に配置され、１行２列で前記第二素子を配置する第二素子領域と、を有する、請求項５に記載の半導体レーザ光源装置。
7. 前記第一素子領域及び前記第二素子領域の双方が、前記複数の固定部材にまたがって形成されている、請求項５又は６に記載の半導体レーザ光源装置。
8. 前記第一素子領域は、前記第二素子領域によって外周を取り囲まれており、前記第二素子領域よりも外側には前記第一素子領域が配置されていない、請求項１乃至３，５乃至７のいずれか一項に記載の半導体レーザ光源装置。
9. 前記第一素子の個数は前記第二素子の個数に等しい、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体レーザ光源装置。
10. 前記複数の半導体レーザ素子の各々を個別に封止するキャンパッケージを備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体レーザ光源装置。
11. 前記第一素子領域に配置された前記第一素子と前記第二素子領域に配置された前記第二素子とにまたがるように、一体的に封止するマルチチップパッケージを備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ光源装置。

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