JP4167209B2

JP4167209B2 - レーザ装置

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Publication number: JP4167209B2
Application number: JP2004235527A
Authority: JP
Inventors: 博文宮島; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: WO2006016459A1; US7599414B2; JP2006054345A; US20080095204A1; DE112005001445T5

Description

この発明は、レーザ光を放射するレーザ装置に関する。

レーザダイオードアレイを利用する高出力のレーザ装置が知られている。このレーザ装置では、レーザダイオードアレイを冷却するための構造が必要となる。例えば、下記の特許文献１および２には、レーザダイオードアレイの底面にヒートシンクを取り付け、そのヒートシンク内に冷媒を流すことによりレーザダイオードを冷却する技術が開示されている。
特開平１０−２０９５３１号公報

レーザダイオードアレイなどの半導体レーザ素子では、その光出力面の周辺が特に高温
となる。しかし、上記文献の手法では、レーザダイオードアレイは、ヒートシンクの冷却面側に配置され、その底面から冷却される。したがって、レーザダイオードアレイの前端面、すなわち光出力面を効率良く冷却することは難しい。光出力面の冷却が不十分だと、半導体レーザ素子の光出力の経時劣化が加速され、長期的な信頼性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、半導体レーザ素子の光出力面を効率良く冷却できるレーザ装置を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ装置は、半導体レーザ素子、冷媒噴射手段、およびヒートシンクを有する。半導体レーザ素子は、レーザ光を発する光出力面を有する。冷媒噴射手段は、冷媒を収容するための冷媒室、その冷媒室に連通する流入口、およびその冷媒室に連通しレーザ素子の光出力面に対向する噴射口を有している。ヒートシンクは、半導体レーザ素子が載置されるレーザ搭載面を有するとともに、噴射口から噴射された冷媒が流入する第１の冷媒流路を有している。

冷媒室に冷媒を供給することにより、噴射口から半導体レーザ素子の光出力面に冷媒が噴射される。光出力面が冷媒の噴流によって直接的に冷却されるので、冷却効率が優れている。

冷媒噴射手段は、光出力面に対向する主面を有し、レーザ光を透過させる中空の板であってもよい。冷媒室はその板の中空部であり、噴射口はその主面に設けられている。このような冷媒噴射手段を用いれば、レーザ光の出射を妨げることなく光出力面に冷媒を噴射することができる。

冷媒噴射手段は、光出力面に対向する第１のレンズ面と、第１のレンズ面よりも光出力面に対して遠くに配置された第２のレンズ面とを有する中空のコリメータレンズであってもよい。冷媒室はコリメータレンズの中空部であり、噴射口は第１レンズ面に設けられている。このような冷媒噴射手段を用いれば、レーザ光の出射を妨げることなく光出力面に冷媒を噴射することができる。また、レーザ装置と別個にコリメータレンズを用意し、レーザ装置に対して位置合わせをする必要もなくなる。

半導体レーザ素子が光出力面上において一つの方向に沿って配列された複数の発光スポットを有するとき、冷媒噴射手段は、発光スポットが配列される方向に沿って並んだ複数の噴射口を有していてもよい。このような構成によれば、半導体レーザ素子の発光スポットの周辺が効率良く冷却される。

半導体レーザ素子が光出力面上において一つの方向に沿って配列された複数の発光スポットを有するとき、噴射口は、発光スポットが配列される方向に沿って細長いスリットであってもよい。このような形状の噴射口を用いれば、半導体レーザ素子の発光スポットの周辺が効率良く冷却される。

ヒートシンクのレーザ搭載面は、第１の冷媒流路に連通する冷媒吸込み口を有していてもよい。噴射口から噴射されて光出力面に衝突した冷媒は、この吸込み口を通って第１の冷媒流路に流入する。

レーザ装置は、第１の冷媒流路に連通する冷媒排出口を更に備えていてもよい。第１の冷媒流路を流れる冷媒は、この冷媒排出口を通じてレーザ装置から排出される。

レーザ装置は、支持部材およびポンプを更に備えていてもよい。支持部材は、半導体レーザ素子およびヒートシンクを搭載するとともに、第２の冷媒流路を有している。ポンプは、第１および第２の冷媒流路間に接続され、第１の冷媒流路から冷媒を吸入し、第２冷媒流路に冷媒を排出する。冷媒噴射手段は、その流入口を第２の冷媒流路に連通させた状態で支持部材に取り付けられている。このような構成によれば、レーザ装置とポンプとの間で冷媒を循環させることができる。

噴射口は、半導体レーザ素子の光出力面において発光スポットの付近に冷媒を噴射するように配置されていてもよい。このような構成によれば、半導体レーザ素子の発光スポットの周辺が効率良く冷却される。

本発明のレーザ装置は、半導体レーザ素子の光出力面に冷媒を噴射することにより光出力面を効率良く冷却することができる。その結果、半導体レーザ素子の光出力の経時劣化を抑え、長期的な信頼性を高めることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第１実施形態
図１〜図４を参照しながら、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態のレーザ装置１００を斜め前方から見た斜視図であり、図２は、レーザ装置１００を斜め後方から見た斜視図である。図３は、レーザ装置１００の分解斜視図であり、図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。これらの図には、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸も示されている。

レーザ装置１００は、底板１０上に設置された三つのレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃ、二つの銅板１４ａおよび１４ｂ、二つのリード電極１６ａおよび１６ｂ、四つの絶縁スペーサ１７ａ〜１７ｄ、ならびに三つのヒートシンク１８ａ〜１８ｃを有している。リード電極１６ｂおよび絶縁スペーサ１７ｄは上板２０によって覆われている。絶縁スペーサ１７ａ〜１７ｄおよびヒートシンク１８ａ〜１８ｃの背面には、電気絶縁性の背板２２が取り付けられている。また、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの前面には、窓板２４が取り付けられている。

図５は、レーザダイオードアレイを示す斜視図である。レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃは同一の構造を有している。各レーザダイオードアレイは、レーザ光を発する光出力面（前端面）５０を有する半導体レーザ素子である。光出力面５０上には、Ｙ方向に沿って数１００μｍ間隔で配列された複数の発光スポット５２が存在する。発光スポット５２の形状は、例えば数μｍ×数１０〜１００μｍ程度の楕円である。レーザダイオードアレイの上面および下面には電極が設けられており、これらの電極を介してレーザダイオードアレイに電圧が印加されると、これらの発光スポット５２の各々からレーザ光が発する。レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃは、各々の発光スポット５２の配列方向が互いにほぼ平行になるように配置されている。

レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃは、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの上面（レーザ搭載面）３６にそれぞれ載置され、固定されている。レーザダイオードアレイ１２ａは、ヒートシンク１８ａの上面３６とヒートシンク１８ｂの底面とによって挟持されている。同様に、レーザダイオードアレイ１２ｂは、ヒートシンク１８ｂの上面３６とヒートシンク１８ｃの底面とによって挟持されている。レーザダイオードアレイ１２ｃは、ヒートシンク１８ｃの上面３６と銅板１４ｂによって挟持されている。レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃは、それらの光出力面５０が窓板２４と対向するように配置されている。レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０は、それぞれヒートシンク１８ａ〜１８ｃの先端からある程度の距離をあけて後方に配置されている。

ヒートシンク１８ａ〜１８ｃは、導電性の板であり、互いに同一の構造を有している。これらのヒートシンクは、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの電極に接触しており、それによってレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃを電気的に直列接続する。ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの材料としては、熱伝導性の高い導電体、例えばＣｕやＣｕＷが好ましい。

図４に示されるように、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの内部には、レーザダイオードアレイを冷却するために使用される冷媒５６用の流路６８ａ〜６８ｃが設けられている。流路６８ａ〜６８ｃは、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの下を通って後方に延びている。流路６８ａ〜６８ｃの後端部は、ヒートシンク１８を縦方向（Ｚ方向）に沿って貫通している。ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの上面３６においてレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０の前方には、流路６８ａ〜６８ｃに連通する吸込み口１９が設けられている。ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの腐食を防ぐためには、冷媒５６は高い電気抵抗を有することが好ましい。冷媒５６は液体でも気体でもよい。冷媒５６の好適な例としては、フルオロカーボン（例えばフロリナート）やイオン交換水が挙げられる。

流路６８ａ〜６８ｃを内部に有するヒートシンク１８ａ〜１８ｃは、例えば、２００μｍ程度の深さの溝を有する厚さ４００μｍ程度の導電板を２枚用いて作製することができる。すなわち、これらの導電板を各々の溝が重なるように突き合わせ、拡散接合、ロウ付け、接着等の手法により接合すれば、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃを得ることができる。

リード電極１６ａおよび１６ｂは、半導体レーザアレイ１２ａ〜１２ｃに駆動電圧を印加するために使用される。銅板１４ａおよび１４ｂは、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃとリード電極１６ａおよび１６ｂとを電気的に接続する導電性スペーサである。レーザダイオードアレイ１２ａの底面は、ヒートシンク１８ａおよび銅板１４ａを介してリード電極１６ａに電気的に接続されている。レーザダイオードアレイ１２ｃの上面は、銅板１４ｂを介してリード電極１６ｂに電気的に接続されている。このように、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃは、リード電極１６ａおよび１６ｂ間で直列に接続されている。したがって、リード電極１６ａおよび１６ｂ間に電圧を印加すると、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの発光スポット５２からレーザ光が発する。

リード電極１６ａは底板１０の上面に載置され、固定されている。底板１０は、ほぼ平行平板状の電気絶縁体であり、その上面１０ａの先端付近には矩形状の溝１１が形成されている。上面１０ａにおいて溝１１の後方にはリード電極１６ａおよび銅板１４ａが積層されており、さらにその後方には絶縁スペーサ１７ａが設置されている。絶縁スペーサ１７ａの上面と銅板１４ａの上面とは同じ高さを有しており、これらの上面上にヒートシンク１８ａが固定されている。ヒートシンク１８ａの上面３６においてレーザダイオードアレイ１２ａの後方には、絶縁スペーサ１７ｂが設置されている。絶縁スペーサ１７ｂの上面はレーザダイオードアレイ１２ａの上面と同じ高さを有しており、それらの上面上にヒートシンク１８ｂが固定されている。ヒートシンク１８ｂの上面３６においてレーザダイオードアレイ１２ｂの後方には、絶縁スペーサ１７ｃが設置されている。絶縁スペーサ１７ｃの上面はレーザダイオードアレイ１２ｂの上面と同じ高さを有しており、それらの上面上にヒートシンク１８ｃが固定されている。ヒートシンク１８ｃの上面３６においてレーザダイオードアレイ１２ｃの後方には、絶縁スペーサ１７ｄが設置されている。絶縁スペーサ１７ｄの上面は、リード電極１６ｂの上面と同じ高さを有しており、それらの上面上に上板２０が固定されている。絶縁スペーサ１７ａ〜１７ｄは、例えばゴムなどの弾性絶縁材料からなる板であり、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃ、銅板１４ａ、１４ｂおよびリード電極１６ａ、１６ｂからは離間している。

上板２０は、ほぼ平行平板状の電気絶縁体であり、その底面の先端付近には矩形状の溝２１が形成されている。上板２０の溝２１と底板１０の溝１１には、窓板２４の上端部および下端部がそれぞれ嵌め込まれている。窓板２４は、二つの主面、すなわち前面２４ａおよび背面２４ｂを有する透明な平行平板である。レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃによって生成されたレーザ光は、窓板２４を透過して出射する。窓板２４は中空であり、その中空部５３は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃを冷却するための冷媒５６を収容する冷媒室として使用される。

図６は、窓板２４の背面２４ｂを示す平面図である。図６には、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０も二点鎖線で描かれている。背面２４ｂの下端部には、中空部５３に連通するスリット状の流入口５４が設けられている。流入口５４は、冷媒５６を中空部５３に導入するための開口である。背面２４ｂには、中空部５３に連通する複数の噴射口２５も設けられている。噴射口２５は、中空部５３内の冷媒５６を噴射させるための開口であり、冷媒５６を噴射させることが可能な程度に小さな開口面積を有している。これらの噴射口２５は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０にそれぞれ対向するようにＹ方向に沿って三列に並べられている。本実施形態では、噴射口２５は発光スポット５２と一対一に対応しており、各噴射口２５は、対応する発光スポット５２の付近に冷媒５６を噴射するように配置されている。

窓板２４は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃから発するレーザ光を透過させる材料から構成される。したがって、レーザ光の出射を妨げることなく光出力面５０に冷媒を噴射することができる。また、噴射口２５から冷媒５６を噴射する際、窓板２４の中空部５３に冷媒５６が充填され、それに応じて窓板２４に圧力が加わることから、窓板２４の材料には十分な機械的強度も要求される。これらの条件を満たす材料の例としては、石英が挙げられる。

図４に示されるように、底板１０の内部には、冷媒５６用の流路６０が設けられている。底板１０の背面には、後方に突出する供給管２６が設けられている。供給管２６は、冷媒５６をレーザ装置１００に導入するために使用される冷媒流入口である。供給管２６の一端は、流路６０に連通しており、他端は、図示しないチューブによってポンプ３０の排出口３２に接続されている。ポンプ３０は、排出口３２からチューブおよび供給管２６を通じて流路６０に、例えば０．１９〜０．４ＭＰａ程度の液圧に加圧された冷媒５６を排出する。

絶縁スペーサ１７ａ〜１７ｃの内部にも流路６７ａ〜６７ｃが設けられている。ヒートシンク内の流路６８ａ〜６８ｃの後端部は、これらの流路６７ａ〜６７ｃに接続されている。ヒートシンク１８ａ〜１８ｃと絶縁スペーサ１７ａ〜１７ｄはＯリング７５を用いてシールされている。図４に示されるように、流路６８ａ〜６８ｃの後端部と流路６７ａ〜６７ｃとは、Ｚ方向に延びる共通流路６９を形成している。

絶縁スペーサ１７ａの背面からは排出管２８が後方に延びている。排出管２６は、冷媒５６をレーザ装置１００から排出するために使用される冷媒排出口である。背板２２と排出管２８はＯリング７６を用いてシールされている。排出管２８は背板２２に設けられた開口２３を通って後方へ突出し、図示しないチューブによってポンプ３０の吸入口３４に接続されている。ポンプ３０は、絶縁スペーサ１７ａ内の流路６７ａから排出管２８、チューブおよび吸入口３４を通じて冷媒５６を吸入する。

このように、ポンプ３０は、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃ内の流路６８ａ〜６８ｃと底板１０内の流路６０との間に接続されており、流路６８ａ〜６８ｃから冷媒５６を吸入し、流路６０に冷媒５６を排出する。供給管２６は流路６０の上流側に配置されており、排出管２８は流路６８ａ〜６８ｃの下流側に配置されている。窓板２４の中空部５３は、流路６０と流路６８ａ〜６８ｃの間に配置された流路として機能する。

底板１０内の流路６０は、窓板２４の背面２４ｂに設けられた流入口５４を通じて窓板２４の中空部５３に連通している。したがって、ポンプ３０から流路６０に排出された冷媒５６は中空部５３内に導入される。窓板２４と底板１０はＯリング７４を用いてシールされている。中空部５３が冷媒５６によって十分に満たされると、噴射口２５から冷媒５６が噴射され、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０に衝突する。こうして、光出力面５０が冷媒５６の噴流によって冷却される。

この後、冷媒５６は、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの吸込み口１９を通って流路６８ａ〜６８ｃに流入する。冷媒５６は、ポンプ３０によって吸引され、流路６８ａ〜６８ｃ内を共通流路６９に向かって流れる。この結果、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの底面から熱が吸収され、これらのレーザダイオードアレイがさらに冷却される。冷媒５６は、流路６８ａ〜６８ｃから共通流路６９を通って絶縁スペーサ１７ａ内の流路６７ａに流れ込む。ポンプ３０は、排出管２８および吸入口３４を通じて冷媒５６を吸入し、吸入した冷媒５６を排出口３２から供給管２６に再び排出する。こうして、レーザ装置１００とポンプ３０との間で冷媒５６が循環される。

このように、レーザ装置１００では、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０に冷媒５６の噴流を当てることにより、光出力面５０を効率良く冷却することができる。特に、複数の噴霧口２５が発光スポット５２の配列方向に沿って並べられ、各噴霧口２５が発光スポット５２の付近に冷媒５６を噴射するように配置されているので、高い発熱を生じがちな発光スポット５２の周辺を効率良く冷却することができる。このため、レーザ装置１００の信頼性をいっそう高めることができる。その結果、高い光出力を得ることができるとともに、光出力の経時劣化を抑えて、レーザ装置１００の長期的な信頼性を高めることができる。

第２実施形態
以下では、図７〜図１１を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態のレーザ装置２００を斜め前方から見た斜視図であり、図８は、レーザ装置２００を斜め後方から見た斜視図である。図９は、レーザ装置２００の分解斜視図であり、図１０は、図８のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図１１は、図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。これらの図には、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸も示されている。

レーザ装置２００は、窓板２４に代えて、二つの導管８０および三つのＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）レンズ８２を備えている点で、第１実施形態のレーザ装置１００と相違する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図１２は、導管８０およびＦＡＣレンズ８２を拡大して示す分解斜視図である。導管８０は、Ｚ方向に細長く、透明で中空の直方体である。導管８０の上端部および下端部は、底板１０の溝１１および上板２０の溝２１にそれぞれ嵌め込まれている。導管８０は、ＦＡＣレンズ８２の端面８２ａと当接する側面８０ａを有しており、その側面８０ａにはＦＡＣレンズ８２と同数の開口８１が設けられている。これらの開口８１は導管８０の内部８９に連通している。導管８０の内部８９は、冷媒５６を収容するための冷媒室として使用される。導管８０の背面８０ｂの下端部には、導管８０の内部８９に連通する流入口８８が設けられている。

ＦＡＣレンズ８２は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃから発するレーザ光をレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの速軸（Fast Axis）方向でコリメートするコリメータレンズである。言い換えると、ＦＡＣレンズ８２は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの遅軸（Slow Axis）方向に垂直な面内でレーザ光をコリメートする。本実施形態では、速軸方向はＺ方向に等しく、遅軸方向はＹ方向に等しい。ＦＡＣレンズ８２は、Ｙ方向に延在するシリンドリカルレンズであり、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０に対向する第１のレンズ面８５と、レンズ面８５よりも光出力面５０に対して遠くに配置された第２のレンズ面８６を有している。第１レンズ面８５は、Ｘ方向に垂直な平坦面である。第２レンズ面８６は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの発光スポット５２の配列方向、すなわちＹ方向に平行な母線を有する円柱面である。なお、ＦＡＣレンズ８２は透明であるが、図面の簡単のため、図７ではＦＡＣレンズ８２の背後に存在する物体の図示を省略している。

ＦＡＣレンズ８２は二つの導管８０によって狭持されている。ＦＡＣレンズ８２の二つの端面８２ａは、二つの導管８０の側面８０ａとそれぞれ当接している。各端面８２ａからは連結管８４が突出している。ＦＡＣレンズ８２は中空であり、連結管８４はその中空部８７に連通している。連結管８４は導管８０の開口８１に差し込まれており、それによって導管８０の内部８９とＦＡＣレンズ８２の中空部８７とが連通されている。導管８０とＦＡＣレンズ８２は、図示しないシール部材（例えばＯリング）を用いてシールされている。

図１３は、ＦＡＣレンズ８２の第１レンズ面８５を示す平面図である。図１３には、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０も二点鎖線で描かれている。ＦＡＣレンズ８２の第１レンズ面８５には、ＦＡＣレンズ８２の中空部８７に連通する複数の噴射口２５が設けられている。噴射口２５は、ＦＡＣレンズ８２の中空部８７内の冷媒５６を噴射させるための開口であり、冷媒５６を噴射させることが可能な程度に小さな開口面積を有している。これらの噴射口２５は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０にそれぞれ対向するようにＹ方向に沿って三列に並べられている。本実施形態では、噴射口２５は発光スポット５２と一対一に対応しており、各噴射口２５は、対応する発光スポット５２の付近に冷媒５６を噴射するように配置されている。窓板２４と同様の理由から、ＦＡＣレンズ８２は、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃから発するレーザ光を透過させ、なおかつ十分な機械的強度を有する材料（例えば石英）から構成される。

図１０に示されるように、底板１０内の流路６０は、流入口８８を通じて導管８０の内部８９に連通している。導管８０と底板１０はＯリング７４を用いてシールされている。ポンプ３０が流路６０に冷媒５６を供給すると、冷媒５６は流入口８８を通って導管８０の内部８９に導入される。導管８０の内部８９が冷媒５６によって十分に満たされると、冷媒５６は連結管８４を通ってＦＡＣレンズ８２の中空部８７に流入する。中空部８７が冷媒５６によって十分に満たされると、噴射口２５から冷媒５６が噴射され、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０に衝突する。こうして、光出力面５０が冷媒５６の噴流によって冷却される。

この後、冷媒５６は、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの吸込み口１９を通って流路６８ａ〜６８ｃに流入する。冷媒５６は、ポンプ３０によって吸引され、流路６８ａ〜６８ｃ内を共通流路６９に向かって流れる。この結果、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの底面から熱が吸収され、これらのレーザダイオードアレイがさらに冷却される。ポンプ３０は、排出管２８および吸入口３４を通じて冷媒５６を吸入し、吸入した冷媒５６を排出口３２から供給管２６に再び排出する。こうして、レーザ装置２００とポンプ３０との間で冷媒５６が循環される。導管８０の内部８９およびＦＡＣレンズ８２の中空部８７は、流路６０と流路６８ａ〜６８ｃの間に配置された流路として機能する。

レーザ装置２００においても、レーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの光出力面５０に冷媒５６の噴流を当てることにより、光出力面５０を効率良く冷却することができる。その結果、高い光出力を得ることができるとともに、光出力の経時劣化を抑えて、レーザ装置２００の長期的な信頼性を高めることができる。さらに、本実施形態では、ＦＡＣレンズ８２がレーザ装置２００内に固定されている。このため、レーザ装置２００を使用すれば、レーザ装置と別個にＦＡＣレンズを用意してＦＡＣレンズをレーザ装置に対して位置合わせする必要がなくなるので便利である。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、ポンプ３０から底板１０内の流路６０に冷媒５６が供給され、その流路６０を通じて冷媒５６が冷媒噴射手段（窓板２４またはＦＡＣレンズ８２）に充填される。しかし、ポンプ３０から底板１０を介さずに冷媒噴射手段に冷媒を供給してもよい。例えば、ポンプ３０の排出口３２をチューブ等を介して冷媒噴射手段の流入口に接続してもよい。

第２実施形態では、硬質の導管８０を用いてＦＡＣレンズ８２の中空部８７に冷媒５６を供給する。しかし、導管８０の代わりに柔軟なチューブを用いて中空部８７に冷媒５６を供給してもよい。

噴射口２５の平面形状は円形に限られず、冷媒５６を噴射可能な他の任意の形状（例えば長方形）とすることができる。また、図１４および図１５に示されるように、一列に並んだ複数の噴射口２５に代えて、スリット状の噴射口９５を使用してもよい。ここで、図１４および図１５は、噴射口２５の代わりに噴射口９５を有する窓板２４およびＦＡＣレンズ８２をそれぞれ示す平面図である。噴射口９５は、レーザダイオードアレイの発光スポット５２の配列方向、すなわちＹ方向に沿って細長い長方形の開口である。噴射口９５は、窓板２４またはＦＡＣレンズ８２の中空部に連通しており、冷媒５６を噴射できる程度に狭い開口幅を有している。このような形状の噴射口９５を用いても、発光スポット５２の周辺を効率良く冷却することができる。

第１実施形態では、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの吸込み口１９がヒートシンク１８ａ〜１８ｃの先端とレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの搭載位置との間に形成されている。しかし、窓板２４とレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃとを近接させたい場合は、ヒートシンク１８ａ〜１８ｃの上面３６においてレーザダイオードアレイ１２ａ〜１２ｃの側面近傍、すなわちレーザダイオードアレイの両脇に吸込み口１９を設けてもよい。

図１はレーザ装置を斜め前方から見た斜視図である。図２はレーザ装置を斜め後方から見た斜視図である。図３はレーザ装置の分解斜視図である。図４は図２のＡ−Ａ線断面図である。図５はレーザダイオードアレイの斜視図である。図６は窓板の背面を示す平面図である。図７はレーザ装置を斜め前方から見た斜視図である。図８はレーザ装置を斜め後方から見た斜視図である。図９はレーザ装置の分解斜視図である。図１０は図８のＡ−Ａ線断面図である。図１１は図８のＢ−Ｂ線断面図である。図１２は導管およびＦＡＣレンズを拡大して示す分解斜視図である。図１３はＦＡＣレンズの背面を示す平面図である。図１４は窓板の変形例を示す平面図である。図１５はＦＡＣレンズの変形例を示す平面図である。

符号の説明

１０…底板、１２ａ〜１２ｃ…レーザダイオードアレイ、１４…銅板、１６…リード電極、１７ａ〜１７ｄ…絶縁スペーサ、１８ａ〜１８ｃ…ヒートシンク、１９…吸込み口、２０…上板、２２…背板、２４…窓板、２５、９５…噴射口、２６…供給管、２８…排出管、３０…ポンプ、５４…流入口、５６…冷媒、６０、６７ａ〜６７ｃ、６８ａ〜６８ｃ…流路、６９…共通流路、８０…導管、８２…ＦＡＣレンズ、８４…連結管、８８…流入口、１００、２００…レーザ装置。

Claims

レーザ光を発する光出力面を有する半導体レーザ素子と、
冷媒を収容するための冷媒室、および前記冷媒室に連通し前記光出力面に対向する噴射口を有する冷媒噴射手段と、
前記半導体レーザ素子が載置されるレーザ搭載面を有するとともに、前記噴射口から噴射された冷媒が流入する第１の冷媒流路を有するヒートシンクと、
を備えるレーザ装置。
前記冷媒噴射手段は、前記光出力面に対向する主面を有し、前記レーザ光を透過させる中空の板であり、
前記冷媒室は前記板の中空部であり、
前記噴射口は前記主面に設けられている、
請求項１に記載のレーザ装置。
前記冷媒噴射手段は、前記光出力面に対向する第１のレンズ面と、前記第１のレンズ面よりも前記光出力面に対して遠くに配置された第２のレンズ面とを有する中空のコリメータレンズであり、
前記冷媒室は前記コリメータレンズの中空部であり、
前記噴射口は前記第１レンズ面に設けられている、
請求項１に記載のレーザ装置。
前記半導体レーザ素子は、前記光出力面上において一つの方向に沿って配列された複数の発光スポットを有しており、
前記冷媒噴射手段は、前記発光スポットが配列される方向に沿って並んだ複数の前記噴射口を有している、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
前記半導体レーザ素子は、前記光出力面上において一つの方向に沿って配列された複数の発光スポットを有しており、
前記噴射口は、前記発光スポットが配列される方向に沿って細長いスリットである、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
前記レーザ搭載面は、前記第１の冷媒流路に連通する冷媒吸込み口を有している、請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ装置。
前記第１の冷媒流路に連通する冷媒排出口を更に備える請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ装置。
前記半導体レーザ素子および前記ヒートシンクを搭載し、第２の冷媒流路を有する支持部材と、
前記第１および第２の冷媒流路間に接続され、前記第１の冷媒流路から冷媒を吸入し、前記第２の冷媒流路に冷媒を排出するポンプと
を更に備え、
前記冷媒噴射手段は、前記冷媒室に連通する流入口を更に有しており、
前記冷媒噴射手段は、前記流入口を前記第２の冷媒流路に連通させた状態で前記支持部材に取り付けられている、
請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ装置。
前記半導体レーザ素子は、前記光出力面上に配置された発光スポットを有しており、
前記噴射口は、前記光出力面において前記発光スポットの付近に冷媒を噴射するように配置されている、請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ装置。