JP4993317B2

JP4993317B2 - ストッパーを用いてレーザーダイオードを鉛直方向に配置するための担持体

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Publication number: JP4993317B2
Application number: JP2008550629A
Authority: JP
Inventors: ディルクロレンツェン; ペトラヘニッヒ; マティアスシュレーダー; ウルリッヒレッリヒ
Original assignee: イエーノプティークレーザーゲーエムベーハー
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: EP1811617A1; EP1977486A1; WO2007082508A1; CN101361239B; IL192850A; US20090016398A1; IL192850A0; EP1977486B1; JP2009524223A; CN101361239A; US7801190B2; DE112007000740A5

Description

本発明は、レーザーダイオードを鉛直方向に積層したレーザー光線源に関するものである。

レーザーを用いた材料加工産業および医療技術の分野でも、固体レーザーをポンピングするために、通常は、レーザーダイオードバーの形態の高出力ダイオードレーザーが使用される。レーザーダイオードバーを積層することにより、放射能力を高めた２次元放射面を構築させることができる。

いわゆるスタックに対しては多様な提案がなされているが、そのなかで特許文献１は、鉛直方向に積層されて導電性基層を介して接触しているレーザーダイオードバーから成る高出力ダイオードレーザーアレイを記載している。複数個の前記基層の１つを介して、伝熱性と電気絶縁性とを備えた担持板に対する熱接触が行なわれる。担持板はヒートシンクと結合されている。互いに隣接しあっているレーザーダイオードバーの導電性基層を互いに直接結合することにより、レーザーダイオードバーは直列に接続されている。

上記構成の場合、レーザーダイオードバーが互いに結合され且つ担持体とも結合されているので、熱機械応力が発生するという欠点がある。

他方、ダイオードレーザーバーおよび導電性基層の厚さが変化すると、レーザーダイオードバー間の間隔が変化する。
米国特許第５９２３６９２Ａ号明細書

本発明の課題は、出力の点で拡張性のあるレーザー光線源を、レーザーダイオード要素をわずかな製造コストで等間隔に積層でき、且つ応力なしに担持体上に取り付けることができるように構成することである。

この課題は、本発明によれば、
−導電材料から成る基層を介して両面にて互いに接触している複数個のレーザーダイオード要素を鉛直方向に積層した鉛直方向の積層体と、
−第１の金属層と少なくとも１つの第２の金属層とから成り、第１および第２の金属層が非金属材料から成る少なくとも１つの電気絶縁層により互いに分断されている少なくとも１つの第１の多層担持体と、
を含み、
−前記金属層のうち少なくとも一方の金属層が互いに間隔をもって並設される複数個の金属層領域に分割され、
−互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素の逆極性の基層が一方の金属層の共通の層領域に被着されている、
レーザー光線源によって解決される。

本発明によれば、各レーザーダイオード要素は、ｐ型の基層とｎ側の基層とを介して、導電性層領域と電気接触し、よって担持体と熱接触している。互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素の逆極性の基層に対し共通の層領域を使用するので、直列接続時の電流は担持体の金属層領域を介して誘導される。

それ故、互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素の逆極性の基層の間に隙間が設けられているのが特に有利である。これにより、レーザーダイオード要素と基層とにおける厚さの公差を簡単に補償することができるので、複数個のレーザーダイオード要素を高精度で等間隔に位置決めさせることができる。

レーザーダイオード要素と基層とから成るサンドイッチ構造のコンポーネントを個別に且つ互いに独立に担持体上に取り付けることができるので、応力のない構造を確立できる。

担持体を製造するには、特にＤＣＢ技術が特に有利である。というのは、このように作製された構造物は優れた熱伝導率を保証するとともに、銅から成っている表面層の層厚が十分であるので、数百アンペアの通電を可能にする。

他の利点は、本発明により、軽量で少数のコンポーネントを有し、螺着部および着脱可能な機械部品を有しておらず、しかもガス発生材料を有していないレーザー光線源が提供されることにある。加えて、本発明の提案によるコンセプトにより簡単なスケーリングを実現できる。

有利な構成では、担持体は、非金属層の間に配置されるマイクロクーラーを備え、該マイクロクーラーは冷媒用のチャネルを有し、冷媒のための供給チャネルと排出チャネルが担持体の底部に設けられている。

レーザーダイオード要素から成る鉛直方向の積層体を画成している基層はそれぞれ１つの層領域のみに蝋付けされ、各層領域に給電用の電気接点要素が案内されている。レーザーダイオード要素から成る鉛直方向の積層体を画成している基層を蝋付けした層領域が、担持体の反対側にあるそれぞれ１つの層領域と電気接触しており、前記反対側で前記電気接点要素が（たとえば電気絶縁層に設けた層間接続部を介して）層領域に取り付けられているのが有利である。

本発明によるレーザー光線源の他の有利な構成は、従属項から明らかである。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１から図６までに図示したレーザー光線源の場合、レーザーダイオードバー１として形成されたレーザーダイオード要素（たとえばＧａＡｓから成る）は、導電材から成る基層２，３（銅・タングステンのようなレーザーダイオードバーの材料と同様の熱膨張係数を持った基層）によってｐ側とｎ側を硬蝋（たとえば共晶金・錫Ａｕ８０Ｓｎ２０）を用いて結合され、よって接触せしめられ、給電および放熱に用いられる担持体４上に被着されている。

基層２，３の厚さは、すなわちレーザーダイオードバー１の積層方向におけるサイズは、レーザーダイオードバー１の共振器長と比較可能である。有利な実施形態では、ｐ側の基層２の厚さはレーザーダイオードバー１の共振器長の０．５倍ないし１倍であり、ｎ側の基層３の厚さはレーザーダイオードバー１の共振器長の０．２５倍ないし０．５倍である。ｎ側の基層３の厚さが異なっているため、レーザーダイオードバー１間の間隔（ピッチ）を変化させることができる。

層領域８での基層２，３の長さＬは共振器長を上回るものであるが、熱経路長の理由から、常に共振器長の２倍以下であるのが好ましい。

薄い板として形成されている担持体４（有利にはＤＣＢ(direct copper bonding)方式にしたがって製造される）は、上面および下面に、銅から成る金属層５，６を有し、金属層５，６は窒化アルミニウム・セラミックスから成る少なくとも１つの非金属層７によって仕切られている。

担持される要素の熱膨張係数に相当する、取り付け面における平均熱膨張係数を得るには、金属層の厚さの総計と非金属層の厚さの総計とが特定の比率にあるのが重要である。

ＤＣＢ方式により被着される銅（この方式によって明確な硬度を得る）の特殊なケースでは、金属層の厚さの総計は、窒化アルミニウムから成っている非金属層の厚さの総計の２倍の大きさである。銅層に適した厚さは、セラミックス層の厚さを対応的に選定した場合、０．１ｍｍないし１ｍｍの範囲にあり、その剛性によって担持体４の高度な平面性を保証している。

銅の硬度等級が他の値であれば、担持体４に対し所望の膨張係数を得るには、他の厚さ比率が必要である。ＨＶ６０ないしＨＶ１２０の銅のビッカース硬度に対しては、金属層の厚さの総計と非金属層の厚さの総計とが１．５；１ないし２．０；１であるように厚さ比率を選定すべきである。

担持体４の、レーザーダイオードバー１を受容するために設けられている側面では、金属層（ここでは上面の層５）が複数個の層領域８に分割されている。これらの層領域８は、互いに平行に且つ互いに間隔をもって配置された、導電軌道としてのストライプを形成している。層領域８の上には、導電材から成る基層２，３が有利には硬蝋（たとえば共晶金・錫Ａｕ８０Ｓｎ２０）により蝋付けされ、これによって両基層２，３を介して層領域８に対する電気的接触と担持体４に対する熱的接触との双方が達成される。

本発明によれば、互いに隣接しあっているレーザーダイオードバー１の逆極性の基層２，３が共通の層領域８上に被着されるように、基層２，３は層領域８と結合される。

複数個のレーザーダイオードバー１を等間隔に設定するため、逆極性の基層２，３の間に隙間１０を設けるのが特に有利である。というのは、本発明によれば、電流は第１のレーザーダイオードバー１のｎ接点からこれに隣接している第２のレーザーダイオードバー１のｐ接点へ担持体４を介して、特にそれぞれ１つの共通の層領域８を介して流れるからである。

レーザーダイオード積層体の、外側にある２つの基層、すなわちｐ接点側の基層２’とｎ接点側の基層３’とは、それぞれ単独で層領域８’，８”に蝋付けされており、この場合それぞれの層領域８’，８”には、図示していない給電用の電気接点要素が案内されている。

給電は、層間電気接続部８９（図５に図示）が層領域８’，８”から非金属層７を通って担持体４の反対側の層領域９’，９”へ延在していることにより有利に行なわれる。これにより、担持体４の、レーザーダイオードバー１を備えている側は、電気接点要素が反対側に装着された場合に光伝播に悪影響する比較的大きな電気接点要素から免れる。

層５，６，７の結合プロセスで担持体４を湾曲させることができるようにするため、或いは、結合された要素１，２，３を担持体４上に取り付ける際に担持体４を曲げることができるようにするため、担持体４の下面の金属層６を層領域９に分割するのも有利である。この場合、層領域９は層領域８に対向していてよく、或いは、図２のように層領域８に対しずらして配置されてよい。

ｎ側の基層３の厚さに応じては、図６のように各レーザーダイオードバー１の前方にコリメータレンズ１１を配置することができるようにするために必要なスペースが提供される。

特に有利には、レーザーダイオードバー１の側方に位置決めされ、担持体４の金属層５の層領域１２上に蝋付けされたブリッジ要素１３，１４が適している。ブリッジ要素１３，１４には、コリメータレンズ１１が、たとえば低溶融蝋材（たとえば錫を含んだ共晶錫・銀・銅（ＳＡＣ蝋））によるレーザー誘導型(laserinitiiert)蝋接によって固定されている。

層領域１２は、周回するように連続して延在している隙間１５によって、残りの層領域８，８’，８”および上面の金属層から電気的に分断されている。

本発明の他の実施形態では、図７および図８によれば、板状の担持体４の代わりに、窒化アルミニウム・セラミックス層から成る２つの非金属層１６，１７の間に配置されるマイクロクーラー１８を備えた担持体４’も使用できる。マイクロクーラー１８は複数個の構造化金属層によって形成され、構造化金属層はその構造化により３次元的に枝分かれした冷媒用チャネルを形成している。冷媒に対しては、供給チャネル１９と排出チャネル２０とが担持体４’の底部に設けられている。

担持体４に対応して、担持体４’も上面および下面を、銅から成る金属層でコーティングされている。この場合、上面の銅層は担持体４に対応して構造化部を有しており、その結果層領域２１，２１’，２１”を介してｐ側基層２およびｎ側基層３に対する電気的および熱的結合を得ることができる。層領域２１’，２１”にも、図示していない電気接点要素が設けられている。

図９に図示したレーザー光線源は、レーザーダイオード要素として半導体ダイオードまたはレーザーダイオードバー１’を含んでいる。半導体ダイオードまたはレーザーダイオードバー１’は、図１ないし図６および図８に図示したレーザーダイオードバー１の場合とは、共振器長ＲＬと光放射面幅ＬＢ（ｐｎ接合部の面に対し平行なスロー・アクシスSlow-Axis方向での伝播）との比率が異なっている（図１０）。すでに共振器長が光放射面幅の半分よりも大きければ、熱が基層２，２’，３，３’を介してレーザーダイオード要素の光放射方向ＬＥとは逆方向ではなく、これに対し垂直で且つレーザーダイオード要素の積層方向に対し垂直に排出されるような冷却を行なうのが有利である（破線の矢印を参照）。レーザーダイオード要素から形成されているレーザーダイオード積層体は、同一構成の２つの多層担持体４”，４’”の間に配置されている。２つの多層担持体４”，４’”は、たとえば図７の実施形態に対応してマイクロクーラー１８を備えていてよい。互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素の逆極性の基層２，３は、それぞれの多層担持体４”，４’”の共通の層領域２１上に被着されている。図中の他の符号は前記実施形態で使用した符号に対応している。２２，２３は給電用の電気接点要素であり、外側にある層領域２１’，２１”へ案内されている。

層領域２１，２１’，２１”上への基層２，２’，３，３’の固定は、レーザーダイオード要素の光放射方向ＬＥが層領域２１，２１’，２１”に平行であるように行なわれる。

図９の実施形態にしたがって使用されるレーザーダイオード要素は、たとえば互いに並設される４個のレーザーダイオードから成る。これには、通常２０個−２５個のレーザーダイオードから構成されているより幅広のレーザーダイオードバーとは異なり、光線を部分光束に分割して配列しなおす必要がないという利点がある。

もちろん、２面冷却の代わりに多層担持体４”，４’”の一方のみを冷却する他の実施形態も可能である。

本発明によるレーザー光線源の平面図である。本発明によるレーザーダイオード積層体のための担持体の下面の図である。図１のレーザー光線源の側面図である。図３のＸ部分の図である。図３のＹ部分を示す図で、担持体の上面と下面の層領域間の層間接続部を示す図である。レーザーダイオード積層体の各レーザーダイオードバーの前方にコリメータレンズを位置決めする工程の説明図である。マイクロクーラーとして構成された、レーザーダイオード積層体用の担持体を示す図である。レーザーダイオード積層体を取り付けた図７の担持体を示す図である。本発明によるレーザー光線源の他の実施形態の断面図である。図９のレーザーダイオード要素におけるサイズ比率を説明する図である。

Claims

−導電材料から成る基層（２，２'，３，３'）を介して両面にて互いに接触している複数個のレーザーダイオード要素（１，１'）を鉛直方向に積層した鉛直方向の積層体と、
−第１の金属層（５）と少なくとも１つの第２の金属層（６）とから成り、第１および第２の金属層（５，６）が非金属材料から成る少なくとも１つの電気絶縁層（７，１６，１７）により互いに分断されている少なくとも１つの第１の多層担持体（４，４'，４"）と、
を含み、
−前記金属層（５、６）のうち少なくとも一方の金属層が互いに間隔をもって並設される複数個の金属層領域（８、８'、８"、９、９'、９"、２１、２１'、２１"）に分割され、
−互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素（１，１'）の逆極性の基層（２，３）が一方の金属層の共通の層領域（８，９，２１）に被着されている、
レーザー光線源。
互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素（１，１'）の逆極性の基層（２，３）の間に隙間（１０）が設けられている、請求項１に記載のレーザー光線源。
第１および第２の金属層（５，６）が互いに間隔をもって並設される複数個の金属層領域（８、８'、８"、９、９'、９"）に分割されている、請求項２に記載のレーザー光線源。
第１の金属層（５）の層領域（８，８'８"）と第２の金属層（６）の層領域（９，９'，９"）とが互いに合同に配置されている、請求項３に記載のレーザー光線源。
第１の金属層（５）の層領域（８，８'８"）と第２の金属層（６）の層領域（９，９'，９"）とが互いにずらして配置されている、請求項３に記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１，１'）から成る鉛直方向の積層体を画成している基層（２'，３'）がそれぞれ１つの層領域（８'，８"）のみに蝋付けされ、各層領域（８'，８"）に給電用の電気接点要素が案内されている、請求項４または５に記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１，１'）から成る鉛直方向の積層体を画成している基層（２'，３'）を蝋付けした層領域（８'，８"）が、担持体（４）の反対側にあるそれぞれ１つの層領域（９'，９"）と電気接触しており、前記反対側で前記電気接点要素が層領域（９'，９"）に取り付けられている、請求項６に記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１）の接触面に対し垂直な方向でのｐ側の基層（２，２'）のサイズが、レーザーダイオード要素（１）の共振器長の０．５倍ないし１倍であり、ｎ側の基層（３）が０．２５倍ないし０．５倍である、請求項１から７までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
光放射方向での基層（２，２'，３，３'）のサイズが、層領域（８）にわたって、レーザーダイオード要素（１）の共振器長を上回り、しかし共振器長の２倍よりも小さい、請求項１から８までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１）がレーザーダイオードバーとして構成されている、請求項１から９までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１'）が、スロー・アクシス方向での光放射面の拡がりの半分よりも大きな共振器長を有している、請求項１から７までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
レーザーダイオード要素（１'）の光放射方向（ＬＥ）が層領域（２１，２１'，２１"）に平行になるように、基層（２，２'，３，３'）が層領域（２１，２１'，２１"）上に固定されている、請求項１１に記載のレーザー光線源。
第１および第２の金属層から成る第２の多層担持体（４'"）が設けられ、第１および第２の金属層が、非金属材料から成る少なくとも１つの電気絶縁層（１６，１７）により互いに分断され、前記金属層のうち少なくとも一方の金属層が互いに間隔をもって並設される複数個の金属層領域（２１、２１'、２１"）に分割され、レーザーダイオード要素（１'）の積層体が第１の多層担持体（４"）と第２の多層担持体（４'"）との間に配置され、互いに隣接しあっているレーザーダイオード要素（１'）の逆極性の基層（２，３）がそれぞれの担持体（４"，４'"）の共通の層領域（２１）に被着されている、請求項１２に記載のレーザー光線源。
少なくとも１つの担持体（４，４'，４"，４'"）が、少なくとも層領域（８、８'、８"、９、９'、９"、２１、２１'、２１"）の表面において、基層（２，２'，３，３'）の熱膨張係数に相当する熱膨張係数を有している、請求項１から１３までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
基層（２，２'，３，３'）が、錫を高含有する軟質蝋材を介して、層領域（８、８'、８"、９、９'、９"、２１、２１'、２１"）と結合されている、請求項１から１４までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
基層（２，２'，３，３'）が、５０原子百分率以上の金を含む金・錫蝋材を介して、層領域（８、８'、８"、９、９'、９"、２１、２１'、２１"）と結合されている、請求項１４に記載のレーザー光線源。
第１および第２の金属層（５，６）が銅から成っている、請求項１から１６までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。
少なくとも１つの電気絶縁層（７，１６，１７）が窒化アルミニウム・セラミックスから成っている、請求項１７に記載のレーザー光線源。
銅から成る金属層（５，６）の厚さの総計が、窒化アルミニウム・セラミックスから成る非金属層（７，１６，１７）の厚さの総計の２倍である、請求項１８に記載のレーザー光線源。
銅から成る金属層（５，６）の厚さの総計と窒化アルミニウム・セラミックスから成る非金属層（７，１６，１７）の厚さの総計との比率が、銅のビッカース硬度をＨＶ６０ないしＨＶ１２０としたとき、１．５：１ないし２．０：１である、請求項１８に記載のレーザー光線源。
多層担持体（４'，４"，４'"）が、非金属層（１６，１７）の間に配置されるマイクロクーラー（１８）を備え、該マイクロクーラー（１８）が冷媒用のチャネルを有し、冷媒のための供給チャネル（１９）と排出チャネル（２０）が多層担持体（４'）の底部に設けられている、請求項１から２０までのいずれか一つに記載のレーザー光線源。