JP2023002985A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間ビーム結合に適したより信頼性の高い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、複数の載置面を有する支持基体であって、基準平面からの複数の載置面の高さが第１方向に沿って段階的または連続的に低下している、支持基体と、第１載置面に直接または間接的に固定された第１半導体レーザ素子であって、基準平面の法線方向からの平面視において、第１方向に交差する第２方向に第１レーザ光を出射する、第１半導体レーザ素子と、第２載置面に直接または間接的に固定された第２半導体レーザ素子であって、平面視において、第２方向に第２レーザ光を出射する、第２半導体レーザ素子と、第１半導体レーザ素子および第２半導体レーザ素子を囲む側壁を有する第１封止カバーであって、側壁の下端は支持基体に接合された第１封止カバーと、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザ素子（「レーザダイオード」とも称される）の高出力化に伴い、半導体レーザ素子を励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）技術と称されている。

特許文献１は、複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射された複数のレーザビームを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）して光出力を増大させるレーザ光源の一例を開示している。複数のレーザビームの結合は「空間ビーム結合」と称され、例えばファイバレーザ装置の励起光源およびＤＤＬ装置などの光出力を高めるために利用され得る。

米国特許７７３３９３２号明細書

複数の半導体レーザ素子を封止する領域の体積を低減することが可能な半導体レーザ装置が求められている。

本開示の半導体レーザ装置は、実施形態において、第１方向に並んだ複数の載置を有する支持基体であって、前記第１方向に平行な基準平面からの前記複数の載置面の高さが前記第１方向に沿って段階的または連続的に低下している、支持基体と、前記複数の載置面のうちの第１載置面に直接または間接的に固定された第１半導体レーザ素子であって、前記基準平面の法線方向からの平面視において、前記第１方向に交差する第２方向に第１レーザ光を出射する、第１半導体レーザ素子と、前記複数の載置面のうちの第２載置面に直接または間接的に固定された第２半導体レーザ素子であって、前記平面視において、前記第２方向に第２レーザ光を出射する、第２半導体レーザ素子と、前記第１載置面に直接または間接的に固定された第１遅軸コリメートレンズであって、前記第１レーザ光が入射する位置に設けられる、第１遅軸コリメートレンズと、前記第２載置面に直接または間接的に固定された第２遅軸コリメートレンズであって、前記第２レーザ光が入射する位置に設けられた第２遅軸コリメートレンズと、前記第１半導体レーザ素子および前記第２半導体レーザ素子を囲む側壁を有する第１封止カバーであって、前記側壁の下端は前記支持基体に接合され、かつ、前記第１半導体レーザ素子および前記第２半導体レーザ素子を収容する内部を規定し、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を透過させる透光性領域を有する、第１封止カバーと、を備える。前記複数の載置面のそれぞれは、前記第１封止カバーによって覆われた第１領域と、前記第１封止カバーの外部に位置する第２領域とを有している。

本開示の実施形態によれば、複数の半導体レーザ素子を封止する領域の体積を低減することが可能な半導体レーザ装置が提供され得る。

図１は、本開示による実施形態１における半導体レーザ装置の基本的な構成例を示す上面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における半導体レーザ装置の模式断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における半導体レーザ装置の模式断面図である。 図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における半導体レーザ装置の模式断面図である。 図５Ａは、本開示の実施形態における封止カバー内の光源の構成例を模式的に示す斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａの光源を模式的に示す上面図である。 図５Ｃは、図５Ｂの光源のＹＺ平面に平行なＶＣ－ＶＣ線断面図である。 図５Ｄは、図５Ａの光源を模式的に示す背面図である。 図６は、本開示の実施形態２における半導体レーザ装置の構成例を模式的に示す上面図である。 図７は、本開示の実施形態３における半導体レーザ装置の斜視図である。 図８は、図７の半導体レーザ装置から第１封止カバーおよび第２封止カバーの上面部を取り除いた状態を示す斜視図である。 図９は、図７の半導体レーザ装置の上面図である。 図１０は、図７の半導体レーザ装置のＺ軸－方向からみた側面図である。 図１１は、図７の半導体レーザ装置のＸ軸－方向からみた側面図である。 図１２は、図７の半導体レーザ装置が備える支持基体の載置面の段差を模式的に示す図である。 図１３は、図８の状態にある半導体レーザ装置の上面図である。 図１４は、本開示による半導体レーザ装置を備えるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の構成例を示す図である。 図１５は、本開示による半導体レーザ装置を備えるファイバレーザ装置の構成例を示す図である。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態における半導体レーザ装置１００の基本的な構成例を示す図であり、半導体レーザ装置１００をＸＺ面の法線方向からみた模式的な上面図である。ただし、図１は後述する第１封止カバー３０の上面部３３を取り外した状態を表す上面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における半導体レーザ装置１００の模式断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線における半導体レーザ装置１００の模式断面図である。図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線における半導体レーザ装置１００の模式断面図である。

図示されている例において、半導体レーザ装置１００は、支持基体１０と、第１半導体レーザ素子ＬＤ１と、第２半導体レーザ素子ＬＤ２と、第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１と、第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２と、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１と、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２と、第１封止カバー３０とを備える。本開示においては、複数の部材、部品または要素を総称するときに用いる参照符号が「Ｚ」の場合、個々の部品または要素を区別するときには「Ｚ１」、「Ｚ２」、・・・のような参照符号を用いる。例えば、複数の半導体レーザ素子を包括するグループの参照符号として「ＬＤ」を用いる場合がある。個々の半導体レーザ素子を区別するときは、「ＬＤ１」、「ＬＤ２」、・・・のような参照符号を用いる。他の部材においても同様である。

半導体レーザ素子ＬＤの端面から出射されるレーザ光のビーム断面形状は、ビーム中心軸に関して非対称な形状を有している。半導体レーザ素子ＬＤの端面から離れた位置におけるビーム断面形状（ファーフィールドパターン）では、半導体レーザ素子ＬＤの半導体積層方向におけるサイズが、これに垂直な方向におけるサイズよりも大きくなる。このため、半導体積層方向を「速軸方向」と呼び、速軸の方向に垂直な方向を「遅軸方向」と呼ぶ。ただし、レーザビームがミラーによって反射されて伝搬方向を変える場合もあるため、本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、それぞれ、グローバルなＸＹＺ座標系における「Ｙ軸方向」および「Ｘ軸方向」に対して平行であるとは限らず、各レーザビームが有するビーム品質の非対称性に依存して決まる。

速軸コリメートレンズＦＡＣは、半導体レーザ素子ＬＤの端面から出射されるレーザ光を速軸方向についてコリメートするレンズである。これに対して、遅軸コリメートレンズＳＡＣは、半導体レーザ素子ＬＤの端面から出射されるレーザ光を遅軸方向についてコリメートするレンズである。速軸コリメートレンズＦＡＣおよび遅軸コリメートレンズＳＡＣは、いずれも、シリンドリカルレンズ（例えば円筒面平凸レンズ）である。シリンドリカルレンズは、平行な光線束を直線（焦点）上に収束する曲面を有している。曲面は、円柱の外周表面の一部に相当する形状を有しており、円柱の軸方向における曲率はゼロである。なお、本明細書において、ビーム断面サイズは、ビーム中心の光強度のピークパワーに対して１／ｅ^２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定される。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。

支持基体１０は、第１方向（Ｘ軸＋方向）に並んだ複数の載置面Ｔを有する。図示されている支持基体１０の例において、載置面Ｔの個数は２であるが、この個数は３個以上であってもよい。本開示では、複数の載置面Ｔの一つを「第１載置面Ｔ１」、他の一つを「第２載置面Ｔ２」と称する。図示される支持基体１０の例において、複数の載置面Ｔの高さ、具体的には第１方向に平行な基準平面Ｒｅｆ（図２参照）からの高さは、第１方向に沿って段階的に低下している。言い換えると、隣り合う載置面Ｔの間に段差が存在している。基準平面Ｒｅｆは、ＸＺ面に平行な仮想的な平面である。図の例において、複数の載置面Ｔのそれぞれは、基準平面Ｒｅｆに平行である。複数の載置面Ｔが互いに平行であれば、それぞれが基準平面Ｒｅｆに対して厳密に平行である必要はない。本明細書において、「複数の載置面Ｔが互いに平行である」とは、一方の載置面に対して、他方の載置面がＸ軸回りの回転方向に対して±０．１度傾いている場合も含む。なお、一方の載置面に対して、他方の載置面がＸ軸回りの回転方向に対する傾きとして±０．０２度以下であることが好ましい。また、「複数の載置面Ｔが互いに平行である」とは、一方の載置面に対して、他方の載置面がＺ軸回りの回転方向に対して±０．５度傾いている場合も含む。なお、一方の載置面に対して、他方の載置面がＺ軸回りの回転方向に対する傾きとして±０．１度以下であることが好ましい。他の実施形態において、複数の載置面Ｔの高さは、第１方向に沿って連続的に低下していてもよい。その場合、複数の載置面Ｔの全体は、基準平面Ｒｅｆに対して非平行な斜面によって構成され得る。

第１半導体レーザ素子ＬＤ１は、複数の載置面Ｔのうちの第１載置面Ｔ１に直接または間接的に固定されている。第１半導体レーザ素子ＬＤ１は、基準平面Ｒｅｆの法線方向（Ｙ軸＋方向）からの平面視において、第１方向（Ｘ軸＋方向）に交差する第２方向（Ｚ軸＋方向）に第１レーザ光Ｂ１を出射するように配置されている。この例において、第１方向と第２方向とは直交しているが、直交している必要はない。第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、複数の載置面Ｔのうちの第２載置面Ｔ２に直接または間接的に固定されている。第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、上記の平面視において、第２方向に第２レーザ光Ｂ２を出射するように配置されている。なお、本開示において、「部材Ｘ」が「複数の載置面Ｔのいずれか」に「直接または間接的に固定されている」とは、「部材Ｘ」と「複数の載置面Ｔのいずれか」との間に、「少なくとも１つの他の部材Ｙ」が存在していてもよいし、存在していなくてもよいことを意味している。この平面視において、各載置面Ｔは、第２方向に平行に延びる長方形の形状を有している。しかし、各載置面Ｔの形状は、この例に限定されず、１つの内角が９０度以外の平行四辺形または台形であってもよい。

支持基体１０の載置面Ｔには、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２を駆動するための電流を外部回路から供給するための配線構造が設けられていてもよい。配線構造は、支持基体１０の内部または載置面Ｔに設けられた配線層、支持基体１０によって直接または間接的に支持されるワイヤ、端子電極、および導電体リードなどの配線要素を含み得る。配線構造の一部または全部は、第１封止カバー３０に設けられていてもよい。第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、外部の駆動回路に対して直列または並列に接続される。

支持基体１０は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素などのセラミックス、あるいは、セラミックスよりも放熱性に優れた銅、アルミニウムまたは銀などの金属材料から形成され得る。また、支持基体１０は、銅、アルミニウムまたは銀などの金属材料中にダイヤモンド粒子が分散した金属マトリクス複合材料から形成されていてもよい。支持基体１０は、複数のパーツの組立体であってもよい。それぞれのパーツは異なる材料から形成され得る。また、支持基体１０は、好ましくは銅、アルミニウムまたは銀などの金属材料から形成され、かつ、単一の部材からなることが好ましい。金属材料はセラミックスよりも放熱性が高く、また、柔らかいので加工しやすい。支持基体１０の内部に水冷のための１または複数の流路が設けられていてよいし、支持基体１０の表面に空冷のためのフィン構造が設けられていてもよい。このように本実施形態における支持基体１０は、複数の半導体レーザ素子ＬＤが載置される支持台として機能するとともに、複数の半導体レーザ素子ＬＤが発する熱を放熱して半導体レーザ素子ＬＤの過度な温度上昇を抑制するヒートスプレッダ、あるいは、ヒートシンクとしても機能し得る。

第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１は、第１載置面Ｔ１に直接または間接的に固定され、第１レーザ光Ｂ１が入射する位置に設けられている。第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２は、第２載置面Ｔ２に直接または間接的に固定され、第２レーザ光Ｂ２が入射する位置に設けられている。第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１は、例えば、第１載置面Ｔ１に接着剤を介して固定することができる。第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２も同様に、第２載置面Ｔ２に接着剤を介して固定することができる。接着剤としては、例えば、Ａｕペースト、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、ＡｕＳｎはんだ、樹脂、Ａｇナノ粒子、はんだ箔などを用いることができる。

第１封止カバー３０は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２を囲む側壁３２と上面部３３を有している。具体的には、第１封止カバー３０の形状は、４面を有する側壁３２と、側壁３２の上端をつなぐ上面部３３とを有し得る。上面部３３は、側壁３２と同一の材料から加工されて一体的に連結していてもよいし、それぞれが別々のパーツとして製造されて組み立てられていてもよい。上面部３３と側壁３２とが別々のパーツである場合、上面部３３を「蓋」と呼んでもよい。第１封止カバー３０は、例えば、セラミックスまたは金属材料から形成され得る。側壁３２および上面部３３は、同一の材料から形成されていてもよいし、互いに異なる材料から形成されていてもよい。

第１封止カバー３０の側壁３２の下端は支持基体１０に接合されている。第１封止カバー３０は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２を収容する内部を規定し、第１レーザ光Ｂ１および第２レーザ光Ｂ２を透過させる透光性領域３４を有している。透光性領域３４は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２と、第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１および第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２との間に設けられる。こうして、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、第１封止カバー３０によって気密に封止され得る。本開示の実施形態では、第１封止カバー３０が支持基体１０と接合され、複数の半導体レーザ素子を封止する構成を備えている。ある製造方法によれば、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、それぞれ、載置面Ｔに実装された後、第１封止カバー３０によって覆われる。第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、第１封止カバー３０を設ける前に載置面Ｔに実装してもよいし、第１封止カバー３０を設ける途中で載置面Ｔに実装してもよい。このため、個々の半導体レーザ素子を半導体レーザパッケージ内に封止した後、それぞれの半導体レーザパッケージを支持基体上に実装するよりも、光軸を容易に合わせることできる。また、個々の半導体レーザ素子を１個ずつ別々の半導体レーザパッケージ内に収容する場合に比べて、隣り合う半導体レーザ素子の中心間隔を狭くすることが可能になる。これは、半導体レーザパッケージどうしの物理的な干渉を考慮することなく、多数の半導体レーザ素子を配置することを可能にする。また、個々の半導体レーザ素子の周囲にそれぞれの半導体レーザパッケージが存在しないため、各半導体レーザ素子の周囲に光学部材またはフォトダイオードなどの電子素子を配置することができる十分なスペースを得ることも可能にする。更に、封止の効果は確保できるため、光集塵効果による光出力低下を抑制し、半導体レーザ装置の信頼性を向上させることが可能になる。

なお、第１封止カバー３０の側壁３２の下端を載置面Ｔの第１溝１６に接合した後、第１封止カバー３０の上面部３３を側壁３２に固定して第１封止カバー３０を作製してもよい。その場合、第１封止カバー３０の側壁３２の下端を載置面Ｔの第１溝１６に接合する工程と、第１封止カバー３０の上面部３３を側壁３２に固定して第１封止カバー３０を作製する工程との間に、第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２を載置面Ｔに実装する工程を設けてもよい。これにより、第１半導体レーザ素子ＬＤ１が発するレーザ光の光軸と第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１の光軸および第２半導体レーザ素子ＬＤ２が発するレーザ光の光軸と第２遅軸コリメートレンズの光軸とを合わせたあとで上面部３３を側壁３２に固定して、封止することができる。すなわち、光軸を容易に合わせ、かつ半導体レーザ素子ＬＤを封止することができる。

図３および図４に示すように、複数の載置面Ｔのそれぞれは、第１封止カバー３０によって覆われた第１領域１１と、第１封止カバー３０の外部に位置する第２領域１２とを有している。本実施形態では、複数の載置面Ｔのそれぞれにおいて、第１領域１１の基準平面Ｒｅｆからの高さは、第２領域１２の基準平面Ｒｅｆからの高さに等しい。なお、本明細書において、「複数の載置面Ｔのそれぞれにおいて、第１領域１１の基準平面Ｒｅｆからの高さは、第２領域１２の基準平面Ｒｅｆからの高さに等しい」とは、「複数の載置面Ｔのそれぞれにおける第１領域１１の基準平面Ｒｅｆからの高さは、複数の載置面Ｔのそれぞれにおける第２領域１２の基準平面Ｒｅｆからの高さに対して±１％以内」である場合も含む。第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、第１領域１１上に存在している。これに対して、第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１および第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２は、第２領域１２上に存在している。例えば第１載置面Ｔ１において、第１半導体レーザ素子ＬＤ１が固定される第１領域１１の高さと、第２領域１２の高さとが等しいことにより、第２領域１２に固定される光学部材に対する第１半導体レーザ素子ＬＤ１の光軸を容易に合わせることができる。このことは、第２載置面Ｔ２についても同様である。また、本実施形態では、各載置面Ｔにおいて、第１領域１１および第２領域１２は、平行であり、かつ、同一の平面上に位置するように構成されている。その結果、第１領域１１および第２領域１２のそれぞれに実装される部品間の光軸を容易に合わせることができる。なお、本明細書において「第１領域および第２領域が平行である」とは、第１領域に対して、第２領域が±０．１度以内の角度をなす場合も含む。

第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１と第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１の間において、第１半導体レーザ素子ＬＤ１から出射された第１レーザ光Ｂ１が入射する位置に設けられている。また、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２は、第２半導体レーザ素子ＬＤ２と第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２の間において、第２半導体レーザ素子ＬＤ２から出射された第２レーザ光Ｂ２が入射する位置に設けられている。図３および図４に図示される例において、第１封止カバー３０の側壁３２は、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１および第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２を囲んでいる。言い換えると、第１封止カバー３０は、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１および第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２をも封止している。これにより、第１封止カバー３０に干渉されることなく、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１を第１半導体レーザ素子ＬＤ１の光出射端面に近づけて実装することが可能になる。同様に、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２を第２半導体レーザ素子ＬＤ２の光出射端面に近づけて実装することが可能になる。速軸コリメートレンズＦＡＣと、対応する半導体レーザ素子ＬＤの光出射端面との距離を短くすることにより、速軸コリメートレンズＦＡＣの焦点距離およびサイズを小さくして、コリメート光の速軸方向におけるサイズを小さくすることが可能になる。

このように、本実施形態では、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１および第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２は、第１封止カバー３０の内部に位置し、かつ、第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１および第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２は、第１封止カバー３０の外部に位置している。これにより、コリメート光の速軸方向におけるサイズを小さくしつつ、各半導体レーザ素子を一括で封止することができる。各遅軸コリメートレンズＳＡＣが第１封止カバー３０の外側に配置されることで、気密封止する領域の体積を低減することができ、気密封止が容易となる。また、ＳＡＣレンズが第１封止カバー３０の外側に配置されることで、ＳＡＣレンズを固定する接着剤の選択肢を広げることができる。例えば、接着剤の材料として、樹脂を選択することが可能となる。樹脂は他の接着剤と比べて光軸を容易に合わせることができる。また、樹脂はＳＡＣレンズを容易に固定することができる。

本実施形態において、支持基体１０は、第１封止カバー３０の側壁３２の少なくとも一部を受ける第１溝１６を有している。第１封止カバー３０の側壁３２の下端の一部または全部は、第１溝１６の底面に接合されている。第１溝１６の底面の、基準平面Ｒｅｆからの高さは、第１方向（Ｘ軸＋方向）に沿って一定であることが好ましい。図３および図４に示されるように、第１溝１６の深さは、複数の載置面Ｔのそれぞれにおいて異なるが、第１溝１６の底面の基準平面Ｒｅｆからの高さは等しい。このような第１溝１６を支持基体１０に設けることにより、第１封止カバー３０の側壁３２に載置面Ｔの間の段差に対応する段差を設ける必要がなくなり、側壁３２を例えば概略的に長方形のような単純な形状にすることが可能になる。このことは、第１封止カバー３０の製造を容易にするとともに、封止部の寸法ずれに起因する封止強度の低下を抑制し、封止の信頼度を高めることが可能になる。また、第１溝１６のｚ方向における幅は、第１封止カバー３０の側壁３２のｚ方向における厚さに対して、例えば、２倍以上５０倍以下、好ましくは、２倍以上１０倍以下にすることができる。これにより、第１封止カバー３０の側壁３２の厚さに対して第１溝１６の幅を十分広くとることができるので、第１封止カバー３０を支持基体１０へ容易に接合することができる。

図１、図２、図３および図４に示すように、半導体レーザ装置１００は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１を支持する第１サブマウントＳＢ１と、第２半導体レーザ素子ＬＤ２を支持する第２サブマウントＳＢ２とを更に備えている。サブマウントＳＢ１、ＳＢ２は、それぞれ、例えば直方体の形状で構成され得る。サブマウントＳＢ１、ＳＢ２は、例えば、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ダイヤモンド粒子が分散した金属マトリクス複合材料、または、グラファイトから形成され得る。サブマウントＳＢ１、ＳＢ２のそれぞれの上面および下面には、半導体レーザ素子ＬＤまたは支持基体１０との接合のための金属膜が設けられ得る。サブマウントＳＢ１、ＳＢ２と半導体レーザ、もしくは、サブマウントと支持基体１０とは、接合材によって接合され得る。接合材は、例えば、ＡｕＳｎはんだ、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペーストなどを用いることができる。

第１サブマウントＳＢ１は、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１を支持する第１レンズ支持部材を有しており、第２サブマウントＳＢ２は、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２を支持する第２レンズ支持部材を有する。以下、第１半導体レーザ素子ＬＤ１を例にとり、このような構成の例を詳細に説明する。

図５Ａは、第１封止カバー３０によって封止される第１半導体レーザ素子ＬＤ１、第１サブマウントＳＢ１、および第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１の分解斜視図である。この例において、第１半導体レーザ素子ＬＤ１は第１サブマウントＳＢ１の上面に接合され、レンズ支持部材５２は第１サブマウントＳＢ１の上面に接合され、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１は、レンズ支持部材５２に固定される。第１速軸コリメートレンズは、接着剤を介してレンズ支持部材５２に固定される。接着剤としては、例えば、Ａｕペースト、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、ＡｕＳｎはんだなどを用いることができる。図５Ｂは、図５Ａの構成を模式的に示す上面図である。図５Ｃは、図５Ｂの構成のＹＺ平面に平行なＶＣ－ＶＣ線断面図である。図５Ｄは、図５Ａの構成を模式的に示す背面図である。

図５Ａに示すように、第１サブマウントＳＢ１は、主平面５０Ｔ、裏面５０Ｂ、および前方端面５０Ｆを有する。第１半導体レーザ素子ＬＤ１は、第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔにフェイスダウン実装されている。第１半導体レーザ素子ＬＤ１の出射端面Ｆは、第１サブマウントＳＢ１に対して突出するように配置される。これにより、出射端面Ｆから出射されるレーザ光の一部が第１サブマウントにより反射されることを抑制することができる。第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１を支持するレンズ支持部材５２が第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔに接合される。レンズ支持部材５２は、主平面５０Ｔに接合される一対の固定部５２Ｓと、一対の固定部５２Ｓを連結する連結部５２Ｌを有する。連結部５２Ｌは、第１半導体レーザ素子ＬＤ１の出射端面Ｆから出射されるレーザ光の伝搬を妨げないように第１半導体レーザ素子ＬＤ１を跨ぐ形状を有している。

図５Ａでは、第１サブマウントＳＢ１、レンズ支持部材５２、および第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１が分離された状態で記載されているが、実際にはこれらは接合されている。

連結部５２Ｌは、図５Ｂの上面視において、第１半導体レーザ素子ＬＤ１の出射端面Ｆと重なる。図５Ｄに示すように、レンズ支持部材５２は、第１半導体レーザ素子ＬＤ１を跨ぐように第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔに配置されている。レンズ支持部材５２のＸ方向におけるサイズは、第１サブマウントＳＢ１のＸ方向におけるサイズよりも大きくてもよいし小さくてもよい。例えば、レンズ支持部材５２のＸ方向におけるサイズは、サブマウントＳＢ１のＸ方向におけるサイズよりも大きくすることができる。これにより、レンズ支持部材５２の端面５２Ｆの面積が広がり、ＦＡＣレンズ１をレンズ支持部材５２へ接合する面積を大きくすることができる。その結果、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１をレンズ支持部材５２の端面５２Ｆに容易に接合することができる。レンズ支持部材５２のＹ方向におけるサイズは、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１のＹ方向におけるサイズと同程度であり得る。レンズ支持部材５２のＹ方向におけるサイズは、速軸コリメートレンズＦＡＣ１のＹ方向におけるサイズよりも大きくてもよいし、等しくてもよいし、小さくてもよい。レンズ支持部材５２のＸ方向におけるサイズは、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、Ｙ方向における最大のサイズは、例えば０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、Ｚ方向におけるサイズは、例えば０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

図示される構成を作製する方法は、例えば、第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔに第１半導体レーザ素子ＬＤ１を接合する工程と、第１半導体レーザ素子ＬＤ１を跨ぐように第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔにレンズ支持部材５２を接合する工程と、レンズ支持部材５２の端面５２Ｆに第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１を接合する工程とを、含み、これらの工程をこの順で実行してもよい。あるいは、第１半導体レーザ素子ＬＤ１が主平面５０Ｔに接合された第１サブマウントＳＢ１に、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１が接合されたレンズ支持部材５２を接合してもよい。

この例では、第１サブマウントＳＢ１の主平面５０Ｔに第１半導体レーザ素子ＬＤ１およびレンズ支持部材５２が接合され、レンズ支持部材５２の端面５２Ｆに第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１が接合されている。これにより、第１半導体レーザ素子ＬＤ１と第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１との間隔を狭くすることが可能になる。このため、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１を小型化できる。また、第１速軸方向にコリメートされたレーザ光Ｂ１の速軸方向におけるサイズを小さくすることが可能になる。

上記の構成は、第２半導体レーザ素子ＬＤ２についても同様に実現できる。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、および図５Ｄに示される構成は、一例にすぎず、サブマウントＳＢに速軸コリメートレンズＦＡＣを固定する方法は、上記の例に限定されない。

本実施形態によれば、半導体レーザ素子ＬＤおよび速軸コリメートレンズＦＡＣの両方を支持するサブマウントＳＢが支持基体１０の第１領域１１に固定され、遅軸コリメートレンズＳＡＣおよびミラーＭが支持基体１０の第２領域１２に固定される。本実施形態では、第１封止カバー３０の側壁３２の下端を載置面Ｔの第１溝１６に接合し、次に半導体レーザ素子ＬＤおよび速軸コリメートレンズＦＡＣの両方を支持するサブマウントＳＢを支持基体１０に接合する。その後、光軸を合わせたあとで、第１封止カバー３０の上面部３３を側壁３２に固定して、半導体レーザ素子ＬＤを第１封止カバー３０が規定する空間内で封止することができる。これにより、光軸を容易に合わせることができる。また、半導体レーザ素子ＬＤを気密封止し、光集塵を低減することができる。

図１に示すように、半導体レーザ装置１００は、第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１から出射された第１レーザ光Ｂ１、および第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２から出射された第２レーザ光Ｂ２を合波するビーム結合部２０をさらに備える。ビーム結合部２０は、第１載置面Ｔ１の第２領域１２に設けられた第１ミラーＭ１と、第２載置面Ｔ２の第２領域１２に設けられ第２ミラーＭ２と、を有する。第１ミラーＭ１は、第１レーザ光Ｂ１を第１方向に反射する。第２ミラーＭ２は、第２レーザ光Ｂ２を第１方向に反射する。ビーム結合部２０は、更に、第１方向に反射された第１レーザ光Ｂ１および第２レーザ光Ｂ２を光ファイバ４０に結合する集光レンズ４２を有する。図示される例において、集光レンズ４２は、速軸集光レンズ４２ａ、および遅軸集光レンズ４２ｂを有している。この例では、速軸集光レンズ４２ａの焦点距離は、遅軸集光レンズ４２ｂの焦点距離よりも長い。したがって、光ファイバ４０の光入射端に対して、遅軸集光レンズ４２ｂの方が速軸集光レンズ４２ａよりも近くに配置されている。

第１ミラーＭ１に入射する第１レーザ光Ｂ１は、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１および第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１によってコリメートされている。同様に、第２ミラーＭ２に入射する第２レーザ光Ｂ２は、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２および第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２によってコリメートされている。図３および図４に示されるように、基準平面Ｒｅｆからの第１ミラーＭ１の高さおよび第２ミラーＭ２の高さは互いに異なる。このため、第１ミラーＭ１によって反射された第１レーザ光Ｂ１が速軸集光レンズ４２ａに入射する位置の高さは、第２ミラーＭ２によって反射された第２レーザ光Ｂ２が速軸集光レンズ４２ａに入射する位置の高さとは異なる。これらの高さの差異は、載置面Ｔ１と載置面Ｔ２との間にある段差の大きさにほぼ等しい。「ほぼ等しい」とは、例えば、第１ミラーＭ１と支持基体１０との間に配置される接着剤の厚さと、第２ミラーＭ２と支持基体１０との間に配置される接着材料の厚さとの差は無視できることを意味する。なお、ミラーＭは、載置面Ｔに接着剤を介して固定することができる。接着剤としては、例えば、ＡｕＳｎはんだ、Ａｇペースト、Ｃｕペースト、Ａｕペースト、樹脂などを用いることができる。また、ミラーＭは、それぞれのミラーＭの位置および向きを調整することが可能な部品を介して支持基体１０の載置面Ｔに固定されていてもよい。ミラーＭの反射面は、入射するレーザ光の波長において選択的に高い反射率を有する多層膜から形成されていることが望ましい。載置面Ｔには、ミラーＭ以外の光学部品、例えば波長選択性を有するフィルタが配置されていてもよい。また、遅軸コリメートレンズＳＡＣは、それぞれのミラーＭの位置および向きを調整することが可能な部品を介して支持基体１０の載置面Ｔに固定されていてもよい。

第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２は、例えば、紫色の光を出射する半導体レーザ素子、青色の光を出射する半導体レーザ素子、緑色の光を出射する半導体レーザ素子、赤色の光を出射する半導体レーザ素子であり得る。ここで、紫色の光は、その発振波長が３６０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲にある光である。青色の光は、その発光ピーク波長が４２０ｎｍより大きく４９５ｎｍ以下の範囲内にある光である。緑色の光は、その発光ピーク波長が４９５ｎｍより大きく５７０ｎｍ以下の範囲内にある光である。赤色の光は、その発光ピーク波長が６０５ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内にある光である。紫色の光を発する半導体レーザ素子、青色の光を発する半導体レーザ素子、または緑色の光を発する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＧａＮを用いることができる。赤色の光を発する半導体レーザ素子としては、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体が挙げられる。

本実施形態の半導体レーザ装置１００によれば、複数の半導体レーザ素子を封止する領域の体積を低減することが可能になる。

また、本実施形態の半導体レーザ装置１００によれば、半導体レーザ素子の光軸と遅軸コリメートレンズの光軸とを合わせることが容易な封止構造によって信頼性を向上させ、複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を１つの光ファイバに光学的に結合することが可能になる。

＜実施形態２＞
次に、本開示の半導体レーザ素子の他の実施形態を説明する。図６は、本実施形態における半導体レーザ装置２００の構成例を模式的に示す上面図である。ただし、図６は後述する第２封止カバー６０の上面部６３を取り外した状態を表す上面図である。

図６の半導体レーザ装置２００は、図１に示される構成に加えて、更に、第３半導体レーザ素子ＬＤ３と、第４半導体レーザ素子ＬＤ４と、第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３と、第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４と、第２封止カバー６０とを備える。また、この例における半導体レーザ装置２００は、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３と、第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４とを備える。

第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４のそれぞれは、前述した第１半導体レーザ素子ＬＤ１および第２半導体レーザ素子ＬＤ２の構造および形状と同様の構造および形状を有していてよい。また、第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３、第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３、第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４、および第２封止カバー６０も、それぞれ、半導体レーザ装置１００における第１遅軸コリメートレンズＳＡＣ１、第２遅軸コリメートレンズＳＡＣ２、第１速軸コリメートレンズＦＡＣ１、第２速軸コリメートレンズＦＡＣ２、および第１封止カバー３０と同様の構造および形状を有していてよい。

第３半導体レーザ素子ＬＤ３は、複数の載置面Ｔのうちの第１載置面Ｔ１に直接または間接的に固定されている。第３半導体レーザ素子ＬＤ３は、基準平面Ｒｅｆの法線方向（Ｙ軸＋方向）からの平面視において、第２方向（Ｚ軸＋方向）の反対方向（Ｚ軸－方向）に第３レーザ光Ｂ３を出射するように配置されている。第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、複数の載置面Ｔのうちの第２載置面Ｔ２に直接または間接的に固定されている。第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、上記の平面視において、第２方向（Ｚ軸＋方向）の反対方向（Ｚ軸－方向）に第４レーザ光Ｂ４を出射するように配置されている。

第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３は、第１載置面Ｔ１に直接または間接的に固定され、第３レーザ光Ｂ３が入射する位置に設けられている。第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４は、第２載置面Ｔ２に直接または間接的に固定され、第４レーザ光Ｂ４が入射する位置に設けられている。

第２封止カバー６０は、第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４を囲む側壁６２を有している。側壁６２の下端は支持基体１０に接合されている。第２封止カバー６０は、第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４を収容する内部を規定し、第３レーザ光Ｂ３および第４レーザ光Ｂ４を透過させる透光性領域６４を有している。こうして、第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、第２封止カバー６０によって気密に封止され得る。本開示の実施形態では、第１封止カバー３０と第２封止カバー６０が、それぞれ支持基体１０と接合され、複数の半導体レーザ素子を封止する構成を備えている。ある製造方法によれば、第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、それぞれ、載置面Ｔに実装された後、第２封止カバー６０によって覆われる。第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、第２封止カバー６０を設ける前に載置面Ｔに実装してもよいし、第２封止カバー６０を設ける途中で載置面Ｔに実装してもよい。

複数の載置面Ｔのそれぞれは、第２封止カバー６０によって覆われた第３領域１３を有しており、第２領域１２は、第１領域１１と第３領域１３との間に位置している。

本実施形態において、複数の載置面Ｔのそれぞれにおける第３領域１３の基準平面Ｒｅｆからの高さは、複数の載置面Ｔのそれぞれにおける第２領域１２の基準平面Ｒｅｆからの高さに等しい。第３半導体レーザ素子ＬＤ３および第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、第３領域１３上に存在している。これに対して、第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３および第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４は、第２領域１２上に存在している。

第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３は、第３半導体レーザ素子ＬＤ３と第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３の間において、第３半導体レーザ素子ＬＤ３から出射された第３レーザ光Ｂ３が入射する位置に設けられている。また、第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４は、第４半導体レーザ素子ＬＤ４と第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４の間において、第４半導体レーザ素子ＬＤ４から出射された第４レーザ光Ｂ４が入射する位置に設けられている。図６に図示される例において、第２封止カバー６０の側壁６２は、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３および第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４を囲んでいる。言い換えると、第２封止カバー６０は、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３および第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４をも封止している。これにより、第２封止カバー６０に干渉されることなく、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３を第３半導体レーザ素子ＬＤ３の光出射端面に近づけて実装することが可能になる。同様に、第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４を第４半導体レーザ素子ＬＤ４の光出射端面に近づけて実装することが可能になる。

このように、本実施形態では、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３および第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４は、第２封止カバー６０の内部に位置し、かつ、第３遅軸コリメートレンズＳＡＣ３および第４遅軸コリメートレンズＳＡＣ４は、第２封止カバー６０の外部に位置している。これにより、コリメート光の速軸方向におけるサイズを小さくしつつ、各半導体レーザ素子を一括で封止することができる。各遅軸コリメートレンズＳＡＣが第２封止カバー６０の外側に配置されることで、気密封止する領域の体積を低減することができ、気密封止が容易となる。

本実施形態において、支持基体１０は、第２封止カバー６０の側壁６２の少なくとも一部を受ける第２溝１８を有している。第２封止カバー６０の側壁６２の下端の一部または全部は、第２溝１８の底面に接合されている。第２溝１８の底面の、基準平面Ｒｅｆからの高さも、第１溝１６と同様に、第１方向（Ｘ軸＋方向）に沿って一定であることが好ましい。

図６に示すように、本実施形態における半導体レーザ装置２００は、第３半導体レーザ素子ＬＤ３を支持する第３サブマウントＳＢ３と、第４半導体レーザ素子ＬＤ４を支持する第４サブマウントＳＢ４とを更に備えている。第３サブマウントＳＢ３、第４サブマウントＳＢ４も、それぞれ、第１サブマウントＳＢ１、第２サブマウントＳＢ２と同様の構成を有し、かつ、同様の材料から形成され得る。

前述したレンズ支持部材を利用することにより、第３サブマウントＳＢ３は、第３速軸コリメートレンズＦＡＣ３を支持し、第４サブマウントＳＢ４は、第４速軸コリメートレンズＦＡＣ４を支持することができる。

本実施形態におけるビーム結合部２０は、第１載置面Ｔ１の第２領域１２に設けられた第３ミラーＭ３と、第２載置面Ｔ２の第２領域１２に設けられ第４ミラーＭ４と、を有する。第３ミラーＭ３は、第３レーザ光Ｂ３を第１方向に反射する。第４ミラーＭ４は、第４レーザ光Ｂ４を第１方向に反射する。ビーム結合部２０は、更に、第３ミラーＭ３で反射された第３レーザ光Ｂ３および第４ミラーＭ４で反射された第４レーザ光Ｂ４を、集光レンズ４２（速軸集光レンズ４２ａ、遅軸集光レンズ４２ｂ）に導くミラー４４、１／２波長板４６、およびビーム結合素子４８を備えている。１／２波長板４６は、ミラー４４とビーム結合素子４８の間に配置されている。

ミラー４４は、第３ミラーＭ３で反射された第３レーザ光Ｂ３と、第４ミラーＭ４で反射された第４レーザ光Ｂ４を受ける形状およびサイズの反射面を有している。ミラー４４は、第３ミラーＭ３で反射された第３レーザ光Ｂ３と、第４ミラーＭ４で反射された第４レーザ光Ｂ４をビーム結合素子４８に向けて反射する。

１／２波長板４６は、第３レーザ光Ｂ３および第４レーザ光Ｂ４の偏光方向を、１／２波長板４６を通過するときに、Ｚ軸に平行な軸回りに９０度回転させる。１／２波長板４６の光学軸（ｏｐｔｉｃ ａｘｉｓ）は、ミラー４４で反射されたレーザ光の偏光方向に対して４５度傾いている。本実施形態において、ミラー４４で反射されたレーザ光の偏光方向は、Ｘ軸に平行である。１／２波長板４６の光学軸は、ＸＹ面内に平行であり、かつ、ＸＺ面に対して４５度で交差する方向を向いている。このため、ミラー４４で反射されたレーザ光の偏光方向は、１／２波長板４６を透過するとき、Ｚ軸に平行な軸の周りに９０度回転する。その結果、ミラー４４で反射されたレーザ光がビーム結合素子４８に入射するときの偏光方向は、Ｙ軸に平行である。

ビーム結合素子４８は、偏光ビームスプリッタと同様の構成を有している。具体的には、偏光方向がＹ軸に平行なレーザ光は反射するが、偏光方向がＺ軸に平行なレーザ光は透過する。このため、第１封止カバー３０によって封止された半導体レーザ素子ＬＤからのレーザ光、および、第２封止カバー６０によって封止された半導体レーザ素子ＬＤからのレーザ光は、いずれも、集光レンズ４２に入射する。したがって、ビーム結合素子４８は、ミラー４４で反射された第３レーザ光Ｂ３および第４レーザ光Ｂ４を第１方向に反射して、集光レンズ４２に向け、また、ビーム結合素子４８は、第１ミラーＭ１で反射された第１レーザ光Ｂ１、および、第２ミラーＭ２で反射された第２レーザ光Ｂ２を透過させ、集光レンズ４２へ向ける。こうして、これらのレーザ光は、集光レンズ４２によって光ファイバ４０に光学的に結合される。

以上の説明から明らかなように、半導体レーザ装置２００の複数の載置面Ｔ、並びに、複数の載置面Ｔ上に配置される複数の電子部品および光学部品は、図６のＸＹ面に関して概略的に対称な配置関係を有している。

本実施形態において、第１半導体レーザ素子ＬＤ１、第２半導体レーザ素子ＬＤ２、第３半導体レーザ素子ＬＤ３、および第４半導体レーザ素子ＬＤ４は、緑色光、青色光、または紫色光のいずれかのレーザ光を発振する。また、各半導体レーザ素子ＬＤは、緑色光、青色光、または紫色光のうち、同じ色のレーザ光を発振することが好ましい。同じ色の光を発振することで、各レンズあるいはビーム結合素子４８などの光学設計が容易となり、光ファイバ４０に効率よくレーザ光を集光することができる。

本実施形態の半導体レーザ装置２００によれば、半導体レーザ装置１００について説明した効果に加え、次の効果を得ることが可能になる。

・第１方向（Ｘ軸＋方向）に並ぶ半導体レーザ素子を２列に増やすことにより、支持基体の第１方向におけるサイズを拡大することなく、支持基体１０に搭載される半導体レーザ素子の個数を増加させることができる。半導体レーザ素子の個数の増加により、光ファイバに結合されるレーザ光の強度が高められ得る。

・支持基体上のすべての半導体レーザ素子を１個の封止カバーで覆うのではなく、異なる領域に配置された半導体レーザ素子のグループを異なる２個の封止カバーで覆うことにより、封止空間を相対的に狭い部分に分割することができる。このことは、封止の信頼性を向上させ得る。

・支持基体上のすべての半導体レーザ素子が１つの領域に集積されるのではなく、支持基体の反対側に位置する２つの領域に分かれて配置されるため、半導体レーザ素子が動作時に発する熱が放熱されやすくなる。このことは、半導体レーザ素子の過度な温度上昇を抑制し、動作の信頼性を高めて素子寿命を延ばすことを可能にする。

＜実施形態３＞
次に、図７から図１３を参照して、本開示による半導体レーザ装置の更に他の実施形態を説明する。図７は、本実施形態における半導体レーザ装置３００の斜視図である。図８は、半導体レーザ装置３００から第１封止カバー３０の上面部３３および第２封止カバー６０の上面部６３を取り除いた状態を示す斜視図である。図９は、半導体レーザ装置３００の上面図である。図１０は、半導体レーザ装置３００のＺ軸－方向からみた側面図である。図１１は、半導体レーザ装置３００のＸ軸－方向からみた側面図である。図１２は、支持基体１０の載置面Ｔの段差を模式的に示す図である。図１３は、図８の状態にある半導体レーザ装置３００の上面図である。

半導体レーザ装置３００は、基本的には、半導体レーザ装置２００の構成と同様の構成を有している。第１の相違点は、半導体レーザ素子ＬＤ、速軸コリメートレンズＦＡＣ、遅軸コリメートレンズＳＡＣ、およびミラーＭのそれぞれの個数にある。例えば、半導体レーザ装置３００における半導体レーザ素子ＬＤの個数は１１×２＝２２であり、半導体レーザ装置２００における半導体レーザ素子ＬＤの個数よりも多い。半導体レーザ素子ＬＤが出射するレーザ光のピーク波長は、いずれも、ほぼ同一の波長（例えば、約４６５ｎｍ±１０ｎｍ）を有している。第２の相違点は、支持基体１０が、図１１に示されるように、第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、第３部分１０Ｃ、および第４部分１０Ｄを有していることである。この点については、後述する。

半導体レーザ装置３００において、第１封止カバー３０の内部には１１個の半導体レーザ素子ＬＤが収容され、封止されている。第１封止カバー３０の上面部３３は、例えば、短辺の長さが６ｍｍ以上１２ｍｍ以下、長辺の長さが２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下の長方形の形状を有している。側壁３２の高さは、例えば、５ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。長辺の長さは、第１封止カバー３０によって封止される半導体レーザ素子ＬＤの個数に応じて決定される。したがって、長辺の長さは上述の長さに限られない。本実施形態における第１封止カバー３０の側壁３２および上面部３３は、例えば、コバールなどの金属材や一般的なセラミックス材料から形成される。第１封止カバーの側壁３２および上面部３３の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。第１封止カバー３０の側壁３２の一面には、例えば、厚さが０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の肉厚部３６が存在している。図７に示す例において、肉厚部３６には、第１方向（Ｘ軸＋方向）に沿って配列された１１個の孔が設けられ、これらの孔を１１本の導電体リード３５が貫通している。第１方向における孔の中心間距離は、１ｍｍ以上４ｍｍ以下である。孔の中心間距離は、第１方向における半導体レーザ素子ＬＤの中心間距離に一致してもよい。個々の半導体レーザ素子ＬＤが有するｐ側電極およびｎ側電極の一方は、対応する１本の導電体リード３５にワイヤを介して電気的に接続され得る。ｐ側電極およびｎ側電極の他方は、例えば、載置面Ｔ上に設けられた共通配線に電気的に接続され得る。このような構成により、第１封止カバー３０によって封止された半導体レーザ素子ＬＤのそれぞれを外部の回路によって独立して駆動することが可能になる。第１封止カバー３０によって封止される半導体レーザ素子ＬＤは、直列に接続されていてもよい。その場合、導電体リード３５の本数は２で足りる。

同様に、第２封止カバー６０の内部にも１１個の半導体レーザ素子ＬＤが収容されている。第２封止カバー６０の内部に収容される半導体レーザ素子ＬＤの個数と第１封止カバー３０の内部に収容される半導体レーザ素子ＬＤの個数が異なっていてもよい。第２封止カバーの側壁６２の一面には肉厚部６６が存在している。肉厚部６６は、第１方向（Ｘ軸＋方向）に沿って配列された１１個の孔が設けられ、これらの孔を１１本の導電体リード６５が貫通している。本実施形態では、第１封止カバー３０および第２封止カバー６０の形状は、ＸＹ面に関して対称な関係にある。第２封止カバー６０の材料および寸法は、第１封止カバー３０の材料および寸法と同一であってよい。個々の半導体レーザ素子ＬＤが有するｐ側電極およびｎ側電極の一方は、対応する１本の導電体リード６５にワイヤを介して電気的に接続され得る。ｐ側電極およびｎ側電極の他方は、例えば、載置面Ｔ上に設けられた共通配線に電気的に接続され得る。このような構成により、第２封止カバー６０によって封止される半導体レーザ素子ＬＤのそれぞれを外部の回路によって独立して駆動することが可能になる。第２封止カバー６０によって封止される半導体レーザ素子ＬＤは、直列に接続されていてもよい。その場合、導電体リード６５の本数は２で足りる。

本実施形態における支持基体１０は、前述したように、第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、第３部分１０Ｃ、および第４部分１０Ｄを有している(図１１参照)。第１部分１０Ａは、第１封止カバー３０によって封止される空間内に位置している。第２部分１０Ｂは、第２封止カバー６０によって封止される空間内に位置している。第３部分１０Ｃは、第１部分１０Ａと第２部分１０Ｂとの間に位置している。第３部分１０Ｃと第１部分１０Ａの間には、第１溝１６が存在する。第３部分１０Ｃと第２部分１０Ｂとの間には、第２溝１８が存在する。第１溝１６および第２溝１８は、それぞれ、載置面Ｔから第４部分１０Ｄの上面まで達している。第１溝１６および第２溝１８のそれぞれのｚ方向における幅は、例えば、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲にある。

本実施形態によれば、２つの封止カバーである第１封止カバー３０、第２封止カバー６０が、支持基体１０の第１部分１０Ａと第２部分１０Ｂを別々に封止しているため、これらを単一の空間に封止するよりも封止する体積を低減することができるので、気密性を維持しやすい。したがって、光集塵効果を抑制することができる。

支持基体１０の第４部分１０Ｄは、第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、および第３部分１０Ｃを支持するベースプレートである。第４部分１０Ｄは、ヒートシンクとして機能し得る。第４部分１０Ｄは、第１部分１０Ａおよび第２部分１０Ｂの下方を第１方向（Ｘ軸＋方向）に沿って延びる一対の流路７２を有している。この流路７２の内部を冷却水が流れることにより、支持基体１０のヒートシンクとしての機能を高めることができる。

図１２に示されるように、第１部分１０Ａは、階段状の上面（載置面Ｔの第１領域１１）を有している。同様に、第２部分１０Ｂは、階段状の上面（載置面Ｔの第３領域１３）を有している。第３部分１０Ｃは、階段状の上面（載置面Ｔの第２領域１２）を有している。第４部分１０Ｄは、第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、および第３部分１０Ｃを載せる平坦な上面を有している。第４部分１０Ｄの上面は、第１封止カバー３０の側壁３２の下端および第２封止カバー６０の側壁６２の下端に接合されている。載置面Ｔの段差の大きさ（すなわち、隣り合う載置面Ｔの高さの差異）は、例えば０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲にあり得る。

第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、第３部分１０Ｃ、および第４部分１０Ｄは、それぞれ、熱伝導率の高い材料から形成されることが好ましい。これらの部分は、すべて同一材料から形成されていてもよい。また、第４部分１０Ｄだけが他の部分１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとは異なる材料から形成されていてもよい。第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、第３部分１０Ｃ、および第４部分１０Ｄは、すべて同一材料から形成されている方が好ましい。これにより、熱膨張係数差に起因する各部分どうしの剥がれを低減することができる。

本実施形態では、第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、および第３部分１０Ｃが第４部分１０Ｄに接合されている。この接合は、合金などの接合材を介して実現されていてもよいし、溶接によって実現されていてもよい。これらの部分１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、および１０Ｄを含む支持基体１０は、ひとつの材料を加工することで作製される一体部品であってもよい。例えば、支持基体１０は、ひとつのブロック状の材料を加工することによって作製された一体部品であってもよい。第１部分１０Ａ、第２部分１０Ｂ、第３部分１０Ｃ、および第４部分１０Ｄは、一体部品である方が好ましい。これにより、各部分を接合する場合と比較して、熱抵抗を低減し、半導体レーザ素子ＬＤの駆動時に発生する熱を効率よく逃がすことができる。

半導体レーザ装置３００は、光ファイバ４０、集光レンズ４２（速軸集光レンズ４２ａおよび遅軸集光レンズ４２ｂ）、ミラー４４、１／２波長板４６、およびビーム結合素子４８が固定される台８０を備えている。光ファイバ４０は、台８０に固定された支持部４０Ｓに固定されている。台８０は、支持基体１０の第４部分１０Ｄに固定されている。１／２波長板４６は、台８０の上の、ミラー４４とビーム結合素子４８との間に配置されている。

＜ダイレクトダイオードレーザ装置＞
次に、図１４を参照して、実施形態３に係る半導体レーザ装置３００を備えるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の構成例を説明する。図１４は、ＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。

図示されているＤＤＬ装置１０００は、４個の半導体レーザ装置３００と、加工ヘッド４００と、半導体レーザ装置３００を加工ヘッド４００に接続する光伝送ファイバ３５０とを備える。半導体レーザ装置３００の個数は、１個または複数個であり、４個に限られない。

各半導体レーザ装置３００は、前述した構成と同様の構成を有している。各半導体レーザ装置３００に搭載されている半導体レーザ素子の個数は特に限定されず、必要な光出力または放射照度に応じて決定される。各半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなど加工する場合、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に属する半導体レーザ素子が好適に採用され得る。各半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の波長は同一である必要はなく、中心波長が異なるレーザ光が重畳されてもよい。また、中心波長が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲外にあるレーザ光を用いる場合にも、本発明による効果を得ることは可能である。

図示されている例において、複数の半導体レーザ装置３００のそれぞれから延びる光ファイバ３２０が光合波器３３０によって光伝送ファイバ３５０に結合されている。光合波器３３０は、例えば、ＴＦＢ（Ｔａｐｅｒｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｕｎｄｌｅ）であり得る。加工ヘッド４００は、光ファイバ３２０の先端から出射されたレーザビームを対象物５００に収束して照射する。１台のＤＤＬ装置１０００がＭ個の半導体レーザ装置３００を備え、個々の半導体レーザ装置３００がＮ個の半導体レーザ素子を搭載している場合において、１個の半導体レーザ素子の光出力がＰワットであれば、最大でＰ×Ｎ×Ｍワットの光出力を持ったレーザビームを対象物５００上に収束させることができる。ここで、Ｎは２以上の整数、Ｍは正の整数である。例えばＰ＝１０ワット、Ｎ＝２２、Ｍ＝１２であれば、２．５キロワットを超える光出力が実現する。

本実施形態によれば、半導体レーザ装置内の半導体レーザ素子が封止カバーによって封止されているため、光集塵効果などに起因する光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、ビーム径の小さな多数のコリメートビームを限られた空間内に充填できるため、小型の装置で高い光出力を達成でき、光ファイバにも結合しやすい。

＜ファイバレーザ装置＞
次に、図１５を参照して、実施形態３に係る半導体レーザ装置３００を備えるファイバレーザ装置の構成例を説明する。図１５は、ファイバレーザ装置２０００の構成例を示す図である。

図示されているファイバレーザ装置２０００は、励起光源として機能する半導体レーザ装置３００と、半導体レーザ装置３００から出射された励起光によって励起される希土類添加光ファイバ６００とを備える。図示されている例において、複数の半導体レーザ装置３００のそれぞれから延びる光ファイバ３２０が光合波器３３０によって希土類添加光ファイバ６００に結合されている。希土類添加光ファイバ６００は、共振器を規定する一対のファイバブラッググレーティングで挟まれている。希土類添加光ファイバ６００にイッテルビウム（Ｙｂ）イオンがドープされている場合、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を生成する半導体レーザ装置３００が使用される。また、例えばプラセオジム（Ｐｒ）がドープされたフッ化物ガラスから形成された希土類添加光ファイバ６００を使用する場合、青色の励起光による可視光レーザ発振を実現することが可能である。本開示の実施形態による半導体レーザ装置３００は、そのような励起光源として有用である。本開示の実施形態による半導体レーザ装置３００では、複数の半導体レーザ素子が封止カバーによって気密封止された空間に収容されているため、前述したように、特に青または緑色のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を採用するときに、特に優れた効果を発揮し得る。

加工ヘッド４００は、希土類添加光ファイバ６００の先端から出射されたレーザビームを対象物５００に収束して照射する。

本開示の半導体レーザ装置は、特に複数のレーザビームを結合して高出力のレーザビームを実現するために用いられ得る。また、本開示の半導体レーザ装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、３Ｄプリンティングなどに利用され得る。更に、本開示の半導体レーザ装置は、ＤＤＬ装置以外の用途、例えばファイバレーザ装置の励起光源としても利用され得る。

１０・・・支持基体、１６・・・第１溝、１８・・・第２溝、２０・・・ビーム結合部、３０・・・第１封止カバー、４０・・・光ファイバ、４２・・・集光レンズ、６０・・・第２封止カバー、１００・・・半導体レーザ装置、２００・・・半導体レーザ装置、３００・・・半導体レーザ装置、３２０・・・光ファイバ、３３０・・・光合波器、３５０・・・光伝送ファイバ、４００・・・加工ヘッド、５００・・・対象物、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置、２０００・・・ファイバレーザ装置、Ｂ・・・レーザ光、Ｍ・・・ミラー、ＦＡＣ・・・速軸コリメートレンズ、ＳＡＣ・・・遅軸コリメートレンズ

Claims (15)

1. 第１方向に並んだ複数の載置面を有する支持基体であって、前記第１方向に平行な基準平面からの前記複数の載置面の高さが前記第１方向に沿って段階的または連続的に低下している、支持基体と、
   前記複数の載置面のうちの第１載置面に直接または間接的に固定された第１半導体レーザ素子であって、前記基準平面の法線方向からの平面視において、前記第１方向に交差する第２方向に第１レーザ光を出射する、第１半導体レーザ素子と、
   前記複数の載置面のうちの第２載置面に直接または間接的に固定された第２半導体レーザ素子であって、前記平面視において、前記第２方向に第２レーザ光を出射する、第２半導体レーザ素子と、
   前記第１載置面に直接または間接的に固定された第１遅軸コリメートレンズであって、前記第１レーザ光が入射する位置に設けられる、第１遅軸コリメートレンズと、
   前記第２載置面に直接または間接的に固定された第２遅軸コリメートレンズであって、前記第２レーザ光が入射する位置に設けられた第２遅軸コリメートレンズと、
   前記第１半導体レーザ素子および前記第２半導体レーザ素子を囲む側壁を有する第１封止カバーであって、前記側壁の下端は前記支持基体に接合され、かつ、前記第１半導体レーザ素子および前記第２半導体レーザ素子を収容する内部を規定し、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を透過させる透光性領域を有する、第１封止カバーと、
   を備え、
   前記複数の載置面のそれぞれは、前記第１封止カバーによって覆われた第１領域と、前記第１封止カバーの外部に位置する第２領域とを有している、半導体レーザ装置。
2. 前記複数の載置面のそれぞれにおいて、前記第１領域の前記基準平面からの高さは、前記第２領域の前記基準平面からの高さに等しい、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第１半導体レーザ素子と前記第１遅軸コリメートレンズの間において、前記第１半導体レーザ素子から出射された前記第１レーザ光が入射する位置に設けられた第１速軸コリメートレンズと、
   前記第２半導体レーザ素子と前記第２遅軸コリメートレンズの間において、前記第２半導体レーザ素子から出射された前記第２レーザ光が入射する位置に設けられた第２速軸コリメートレンズと、
   をさらに備える、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速軸コリメートレンズおよび前記第２速軸コリメートレンズは、前記第１封止カバーの内部に位置し、かつ、
   前記第１遅軸コリメートレンズおよび前記第２遅軸コリメートレンズは、前記第１封止カバーの外部に位置している、請求項３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第１半導体レーザ素子を支持する第１サブマウントと、
   前記第２半導体レーザ素子を支持する第２サブマウントと、
   を備え、
   前記第１サブマウントは、前記第１速軸コリメートレンズを支持する第１レンズ支持部材を有しており、
   前記第２サブマウントは、前記第２速軸コリメートレンズを支持する第２レンズ支持部材を有する、請求項４に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記支持基体は、前記第１封止カバーの前記側壁の少なくとも一部を受ける第１溝を有し、
   前記第１封止カバーの前記側壁の前記下端の一部または全部は、前記第１溝の底面に接合されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記第１遅軸コリメートレンズから出射された前記第１レーザ光、および前記第２遅軸コリメートレンズから出射された前記第２レーザ光を合波するビーム結合部をさらに備え、
   前記ビーム結合部は、
   前記第１載置面の前記第２領域に設けられ、前記第１レーザ光を前記第１方向に反射する第１ミラーと、
   前記第２載置面の前記第２領域に設けられ、前記第２レーザ光を前記第１方向に反射する第２ミラーと、
   前記第１ミラーで反射された前記第１レーザ光および前記第２ミラーで反射された前記第２レーザ光を光ファイバに結合する集光レンズと、
   を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記第１載置面に直接または間接的に固定された第３半導体レーザ素子であって、前記平面視において、前記第２方向の反対方向に第３レーザ光を出射する、第３半導体レーザ素子と、
   前記第２載置面に直接または間接的に固定された第４半導体レーザ素子であって、前記平面視において、前記第２方向の前記反対方向に第４レーザ光を出射する、第４半導体レーザ素子と、
   前記第１載置面に直接または間接的に固定された第３遅軸コリメートレンズであって、前記第３レーザ光が入射する位置に設けられた第３遅軸コリメートレンズと、
   前記第２載置面に直接または間接的に固定された、第４遅軸コリメートレンズであって、前記第４レーザ光が入射する位置に設けられた第４遅軸コリメートレンズと、
   前記第３半導体レーザ素子および前記第４半導体レーザ素子を囲む側壁を有する第２封止カバーであって、前記側壁の下端は前記支持基体に接合され、かつ、前記第３半導体レーザ素子および前記第４半導体レーザ素子を収容する内部を規定し、前記第３レーザ光および前記第４レーザ光を透過させる透光性領域を有する、第２封止カバーと、
   を備え、
   前記複数の載置面のそれぞれは、前記第２封止カバーによって覆われた第３領域を有しており、前記第２領域は、前記第１領域と前記第３領域との間に位置する、請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記複数の載置面のそれぞれにおいて、前記第３領域の前記基準平面からの高さは、前記第２領域の前記基準平面からの高さに等しい、請求項８に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記ビーム結合部は、前記第１遅軸コリメートレンズから出射された前記第１レーザ光、前記第２遅軸コリメートレンズから出射された前記第２レーザ光、前記第３遅軸コリメートレンズから出射された前記第３レーザ光、および、前記第４遅軸コリメートレンズから出射された前記第４レーザ光を合波し、
    前記ビーム結合部は、
    前記第１載置面の前記第２領域に設けられ、前記第３レーザ光を前記第１方向に反射する第３ミラーと、
    前記第２載置面の前記第２領域に設けられ、前記第４レーザ光を前記第１方向に反射する第４ミラーと、
    を有し、
    前記集光レンズは、前記第３ミラーで反射された前記第３レーザ光および前記第４ミラーで反射された前記第４レーザ光を前記光ファイバに結合する、請求項８または９に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記第３半導体レーザ素子と前記第３遅軸コリメートレンズの間において、前記第３半導体レーザ素子から出射された前記第３レーザ光が入射する位置に設けられた第３速軸コリメートレンズと、
    前記第４半導体レーザ素子と前記第４遅軸コリメートレンズの間において、前記第４半導体レーザ素子から出射された前記第４レーザ光が入射する位置に設けられた第４速軸コリメートレンズと、
    をさらに備える、請求項８から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記第３速軸コリメートレンズおよび前記第４速軸コリメートレンズは、前記第２封止カバーの内部に位置し、かつ、
    前記第３遅軸コリメートレンズおよび前記第４遅軸コリメートレンズは、前記第２封止カバーの外部に位置している、請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記第３半導体レーザ素子を支持する第３サブマウントと、
    前記第４半導体レーザ素子を支持する第４サブマウントと、
    を備え、
    前記第３サブマウントは、前記第３速軸コリメートレンズを支持する第３レンズ支持部材を有し、
    前記第４サブマウントは、前記第４速軸コリメートレンズを支持する第４レンズ支持部材を有する、
    請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記支持基体は、前記第２封止カバーの前記側壁の少なくとも一部を受ける第２溝を有し、
    前記第２封止カバーの前記側壁の前記下端の一部または全部は、前記第２溝の底面に接合されている、請求項８から１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記第１半導体レーザ素子、前記第２半導体レーザ素子、前記第３半導体レーザ素子および前記第４半導体レーザ素子は、緑色光、青色光、または紫色光のいずれかのレーザ光を発振する、請求項８から１４いずれか１項に記載の半導体レーザ装置。

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