JP6580244B2 - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

Description

発明は、複数の半導体レーザ素子をアレイ状に並べた半導体レーザアレイが搭載された半導体レーザ光源装置に関するものである。

複数の半導体レーザ素子をアレイ状に並べた半導体レーザアレイを搭載した半導体レーザ光源装置において、半導体レーザアレイに電流が供給されたとき、半導体レーザアレイは、レーザ光の発振源であると共に、大きな熱を発する発熱源となる。半導体レーザアレイは、温度に依存して発振波長が変化し、高温になるとレーザ出力が低下して信頼性も低下する。よって、半導体レーザアレイ内を適正な温度に保つように、冷却構造を設けることが望ましい。

冷却構造を有する半導体レーザ光源装置の構成として、例えば特許文献１に示される構成がある。この特許文献１では、冷却水を流すための微小流路（マイクロチャネル）を備えたヒートシンク上に、半導体レーザアレイがはんだ等の導電性ペーストにより接合されている。ヒートシンクは、銅（Cu、熱伝導率は３９８W／（ｍ・K））の薄板とモリブデン（Mo、熱伝導率は１４０W／（ｍ・K））薄板を積層して構成され、８ｐｐｍ／Kの線膨張係数を有している。以上の構成により、半導体レーザアレイを高出力で発振させた際に生じる排熱を効率的に放散するとともに、半導体レーザアレイ実装時に生じる熱応力を軽減することができる。

特開２０１２−２２２１３０号公報

しかしながら、特許文献１のような半導体レーザ光源装置にあっては、上述のヒートシンクの微小流路（マイクロチャネル）を有するため、安定した排熱性能を確保するためには高い流速が必要となる。そのため、低い流速となるような場合には安定した排熱性能を確保することができず、半導体レーザ光源装置としての長期信頼性が得られないという課題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、長期信頼性を向上できる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、電気絶縁性材料の基板の片面に導電性の電極層が形成されたサブマウント基板の電極層に、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられ、片面に第一電極、他面に第二電極が形成された板状の半導体レーザアレイの第一電極が接合され、サブマウント基板の電極層が形成された面とは反対側の面が金属のヒートシンクに接合された半導体レーザ光源装置において、ヒートシンクの、サブマウント基板が接合されている面に垂直な方向をＹ方向、このＹ方向に垂直で半導体レーザアレイの複数の半導体レーザ素子が並ぶ方向をＸ方向、Ｙ方向およびＸ方向に垂直な方向をＺ方向とした場合、ヒートシンクのサブマウント基板が接合された領域がＹ方向に投影された内部領域に、Ｚ方向の幅が２００μｍから６００μｍの範囲の寸法、およびＹ方向の深さが３ｍｍから５ｍｍの範囲の寸法の扁平形状の扁平流路が、Ｚ方向にピッチ１ｍｍ以下で複数並んだ冷却部が形成され、冷却部の前記Ｘ方向の一方から他方に冷却水が流れるよう、ヒートシンクの外部から前記冷却部に連通する２つの冷却水通路が設けられたものである。

この発明によれば、長期信頼性を向上できる半導体レーザ光源装置が得られる。

本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。 本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置のレーザ出射面付近を示す拡大斜視図である。 本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置のヒートシンク内部水路形状を示す断面図である。 本発明の効果を説明するための図である。 本発明の効果を説明するための別の図である。 本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。 本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面平面図である。 本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。 本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置のレーザ出射面付近を示す拡大斜視図である。 本発明の実施の形態４による半導体レーザ光源装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。 本発明の実施の形態５による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。 本発明の実施の形態６による半導体レーザ光源装置の構成を示す断面側面図である。

以下に、本発明の半導体レーザ光源装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。方向に関しては、図面に図示する方向を基準とする。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置を示す、図１のＸ方向中央部における断面側面図であり、図２Ａは全体の断面図、図２Ｂは半導体レーザアレイ１とサブマウント基板２の部分を拡大して示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置のレーザ出射面付近を示す拡大斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ光源装置のヒートシンク内部水路形状を示す、図２ＡのＡ−Ａ位置での断面図である。

実施の形態１による半導体レーザ光源装置１００は、ヒートシンク３と、ヒートシンク３上に接合されたサブマウント基板２と、サブマウント基板２上に接合された半導体レーザアレイ１と、ヒートシンク３上に第一絶縁板６ａを介して固定された第一電極板４、第一電極板４上に第二絶縁板６ｂを介して固定された第二電極板５を有する。半導体レーザアレイ１と第二電極板５との間は、金属配線７ｂにより電気的に接続され、サブマウント基板２と第一電極板４との間は金属配線７ａにより電気的に接続され、これら第一電極板４および第二電極板５が半導体レーザアレイ１への給電路を構成する。また、ヒートシンク３は、内部に冷却部９を備え、冷却水入口及び出口に接続した水路継手部材８を介して、外部から冷却水を供給できる構造を有する。

ヒートシンク３は、半導体レーザアレイ１がレーザ発振時に、半導体レーザアレイ１から発生する熱を、効率よく放熱するため、熱伝導性に優れた材料、例えば、銅（以降、Ｃｕ）などの金属材料で作製している。

サブマウント基板２は、熱伝導性に優れるとともに、電気絶縁性の優れた材料から作製され、例えば、窒化アルミニウム（以降、ＡｌＮ）あるいはシリコンカーバイド（以降、ＳｉＣ）などのセラミック材が用いられる。サブマウント基板２上面には、下層よりチタン（以降、Ｔｉ）、Ｃｕ、ニッケル（以降、Ｎｉ）、金（以降、Ａｕ）のめっきが積層された電極層２１が形成されており、この導電性の電極層２１が半導体レーザアレイ１の給電路を構成している。

さらに、サブマウント基板２上面に積層した電極層２１の上面には、図３に示されるサブマウント基板２の長辺側の端縁部２ａに沿って、半導体レーザアレイ１の実装領域を設定し、下層から白金（以降、Ｐｔ）、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ材あるいは、Ｓｎ系はんだ材が蒸着されている。この実装領域に、半導体レーザアレイ１が、サブマウント基板２の端縁部２ａに対して、半導体レーザアレイ１の発光面側である長辺側の端縁部１ａが、＋Ｚ方向に０〜３０μｍ程度突出した位置となるよう、はんだ接合されている。これにより、半導体レーザアレイ１がレーザ発振した場合に、レーザ光がサブマウント基板２にあたって、遮光されるのを防ぐことができる。

また、サブマウント基板２下面には、上面と同様に、基板下層からＴｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕがめっきされた層２２が形成されており、ヒートシンク３とサブマウント基板２の間に外部から供給されるはんだシート（図示せず）を使用して、サブマウント基板２がはんだ接合により接合されている。サブマウント基板２は、サブマウント基板２の端縁部２ａがヒートシンク３上の端縁部３ａから−Ｚ方向に０〜３０μｍ程度ずれた（後退した）位置となるよう配置されている。また、サブマウント基板２下面に、上面と同一の材料であるＡｕ−Ｓｎ系はんだ材あるいはＳｎ系はんだ材を蒸着し、蒸着されたはんだを使用したはんだ接合により、接合してもよい。

半導体レーザアレイ１は、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられた半導体レーザであり、上下面にＡｕ電極を有する。下面のＡｕ電極を第一電極１１、上面のＡｕ電極を第二電極１２と称することもある。半導体レーザアレイ１の下面Ａｕ電極（第一電極）１１は、前述したとおり、サブマウント基板２上面に蒸着されたはんだ材によりはんだ接合されることで、サブマウント基板２と電気的、機械的に接続されている。第一絶縁板６ａ、第二絶縁板６ｂは、電気絶縁性を有する材料により形成されており、例えば、ガラス材、ピーク材、セラミック材などが用いられる。なお、本明細書では、各図に示すように、ヒートシンク３の、サブマウント基板２が接合されている面に垂直な方向をＹ方向、このＹ方向に垂直で半導体レーザアレイ１の複数の半導体レーザ素子が並ぶ方向をＸ方向、Ｙ方向およびＸ方向に垂直な方向をＺ方向としている。また、Ｚの正方向はレーザ光が進む方向としている。

ヒートシンク３上に接合されたサブマウント基板２の後方（−Ｚ方向）に、第一絶縁板６ａを第一電極板４とヒートシンク３に挟まれる形でネジ止めにて、固定している。使用するネジは、絶縁性の材質のネジ、例えば、樹脂ネジやセラミックネジを使用するか、第一電極板４とネジの接触部分に絶縁性ブッシュ（図示せず）を挿入することで、ヒートシンク３と第一電極板４を電気的に絶縁させる。第一絶縁板６ａ及び第一電極板４の位置は、ヒートシンク３に軽圧入される位置決めピン（図示せず）により決める。位置決めピンは、絶縁性の材料により形成されており、例えば、樹脂ピンやセラミックピンを使用する。接着材、あるいははんだ材により接合して固定することも可能であるが、部材を容易に取り外すことができる点で、ネジ止めが好ましい。また、はんだ材を使用する場合は、サブマウント基板２に蒸着されたはんだ材よりも低融点のはんだ材を用いることで、すでにサブマウント基板２が接合されている場合に、サブマウント基板２の上下面の接合面のはんだ材が再溶融して、ヒートシンク３上の位置に対して、半導体レーザアレイ１あるいはサブマウント基板２が位置ずれするのを防ぐことができる。

第一電極板４上に、第二絶縁板６ｂが、第二電極板５と、先に固定された第一電極板４、第一絶縁板６ａ及びヒートシンク３に挟まれる形でネジ止めにて、固定される。他の固定方法に関して、第一絶縁板６ａと同様になるため、ここでは説明を省略する。

第一絶縁板６ａ上に固定されている第一電極板４、及び第二絶縁板６ｂ上に固定された第二電極板５は、例えばＣｕなどの電気伝導性の高い材料から製作し、めっき層よりも十分に厚く（例えば数ｍｍ厚）、電気抵抗は非常に小さい構造であり、表面全体には、めっき処理によりＡｕ層が積層されている。

第一電極板４は、側面から見てＬ字形状を成し、サブマウント基板２の長辺方向（Ｘ方向）と平行に、接触することなく一定の隙間を保持して配置されており、第一電極板４とサブマウント基板２との間は、金属配線７ａにより電気的に接続されている。この時、金属配線７ａと第二電極板５の間は、第二絶縁板６ｂにより一定の間隔が設けられており、接触しない。金属配線７ａには、例えばＡｕワイヤや線幅の広いＡｕリボンあるいはＣｕリボンを使用することができる。金属配線７ａは、第二絶縁板６ｂを配置する前に接合する。

第二電極板５は、側面から見てＬ字形状を成し、半導体レーザアレイ１の上面に形成されている第二電極１２との間が、金属配線７ｂにより電気的に接続されている。金属配線７ｂには、金属配線７ａと同様にＡｕなどの材料から成るワイヤや線幅の広いリボンを使用することができる。

ヒートシンク３内部には、冷却部９が形成されており、この冷却部９は、冷却部９の両側に設けられ、それぞれヒートシンク３の外部に連通する２つの冷却水通路９０から水路継手部材８を介して、冷却水温度を一定に制御可能な冷却水循環装置（図示せず）へ接続されている。このようにして、冷却水がヒートシンク３内部の冷却部９と冷却水循環装置との間を循環する構成となり、冷却部９を通る冷却水の温度を制御し、主として、冷却水が冷却部９をＸ方向に流れる際に、半導体レーザアレイ１からの発熱を排熱する。

冷却部９内の流路は、流路幅（Ｚ方向の寸法）200〜600μｍ、流路深さ（Ｙ方向の寸法）３〜５mmのアスペクト比５以上の扁平流路９ａが幅方向（Ｚ方向）に１ｍｍ以下のピッチで並んだ形状である。冷却部９はサブマウント基板２がＹ方向からヒートシンクの内部に投影された領域に形成されており、サブマウント基板２が投影された領域を含むように、各扁平流路９ａの長さ（Ｘ方向）、およびＺ方向に並べる扁平流路９ａの数を設定する。

次に、半導体レーザ光源装置１００を組み立てる一連の工程について説明する。まず、サブマウント基板２上に、サブマウント基板２の端縁部２ａを基準に、半導体レーザアレイ１の端縁部１ａが＋Ｚ方向に０〜３０μｍ程度突出する位置に半導体レーザアレイ１を載置する。この後、サブマウント基板２上面に予め形成されたＡｕ-Ｓｎ系はんだ材を溶融して、サブマウント基板２上に半導体レーザアレイ１の下面に形成された第一電極１１を接合する。

次に、ヒートシンク３上に、シート状はんだ（図示せず）を載置し、ヒートシンク３の端縁部３ａを基準に、サブマウント基板２の端縁部２ａが−Ｚ方向に０〜３０μｍ程度後退した位置にサブマウント基板２を載置し、ヒートシンク３とサブマウント基板２の間に挿入されたシート状はんだを溶融して、ヒートシンク３上にサブマウント基板２を接合する。使用するシート状はんだは、サブマウント基板２上面に予め形成されたはんだ材より融点の低いものとする。また、シート状はんだの代わりに、予めヒートシンク３にはんだ材を蒸着したものを用いてもよい。

次に、ヒートシンク３上に接合されたサブマウント基板２の後方（−Ｚ方向）に、第一電極板４を、ヒートシンク３に設けたネジ穴を用い、電気絶縁ブッシュ（図示せず）を介して、ヒートシンク３上に第一電極板４、及び第一絶縁板６ａを一括でねじ止め固定する。この後、サブマウント基板２の電極層２１の上面と第一電極板４とを、金属配線７ａを用いて接続する。

続いて、ヒートシンク３に設けたネジ穴を用い、電気絶縁ブッシュ（図示せず）を介して、ヒートシンク３上に第二電極板５、及び第二絶縁板６ｂを一括でねじ止め固定する。この後、第二電極板５と半導体レーザアレイ１の上面に形成された第二電極１２との間を、金属配線７ｂを用いて接続する。水路継手部材８をヒートシンク３に、ネジ固定にて取り付ける。水路継手部材８は、サブマウント基板２接合前に、ヒートシンク３にろう付けあるいは焼きいれにて、取り付けてもよい。

次にレーザ発振動作について説明する。半導体レーザアレイ１が、ジャンクション（陽極）ダウンで実装されている場合を例に説明する。なお、ジャンクションアップで実装する場合は、給電経路が逆方向になるだけで、構成及び効果が変わるものではない。

半導体レーザアレイ１がジャンクションダウンで実装されている場合、電源（図示せず）より供給された電流は、電源→第一電極板４→金属配線７ａ→サブマウント基板２（上面に積層された電極層２１）→半導体レーザアレイ１→金属配線７ｂ→第二電極板５→電源の順に流れ、半導体レーザアレイ１をレーザ発振させる。

従来の微小流路（マイクロチャネル）では、流路壁と冷却水間の熱伝達率を向上させるため、流速を２〜５ｍ/ｓにする必要があった。しかしながら、流速が大きく冷却水の流れが速い場合、冷却水によるヒートシンクの潰食により、レーザ光源装置としての長期信頼性に懸念があるということを、本発明者らが気づいた。そこで、本発明者らは、流速が小さく冷却水の流れが遅くても排熱性能が確保できる構造を追及し、流速が小さい条件において排熱性能が確保できる構造を見出した。

図５は、流速１．５ｍ／ｓにて冷却水を流した際、扁平流路９ａの流路幅（Ｚ方向の寸法）に対する扁平流路９ａの流路深さ（Ｙ方向の寸法）の比率で表わされるアスペクト比に対して、冷却水から半導体レーザアレイ１間の熱抵抗を計算した結果を示した図である。また、図６は、本実施の形態による効果を示したグラフであり、従来のアスペクト比１以下のマイクロチャネルによるヒートシンクと、本実施の形態１による扁平流路によるヒートシンクとの熱抵抗を、冷却水の流速に対して計算した結果を示している。本実施の形態による扁平流路の計算例は、流路幅２００μｍ、深さ４ｍｍ、アスペクト比２０におけるものである。

図５中で、アスペクト比の減少に伴い、熱抵抗値が上がっていき、特にアスペクト比５以下になると、上がり方が顕著であることが分かる。また、図６中では、従来の一般的なマイクロチャネルを有した半導体レーザ光源装置と本実施の形態による半導体レーザ光源装置とを比較しており、本実施の形態による半導体レーザ光源装置では、扁平流路９ａによる冷却部９を採用し、排熱面積が大きくなったことで、１．０ｍ／ｓの流速にて、従来の一般的なマイクロチャネルを有した半導体レーザ光源装置に冷却水を５．０ｍ／sで流した際と同等以上の排熱性能をもつことがわかる。以上のように、本実施の形態により、２．０ｍ／ｓ以下の流速でも排熱性能を確保することができ、流速が小さくなったため、流速が大きいほど進行が速い潰食（腐食）を抑制することが可能となる。

従来は、マイクロチャネルと呼ばれるアスペクト比が小さい流路を並べた構成で、流速を大きくすることで熱抵抗を小さくしていた。これは、できるだけ装置をコンパクトにするためであったと考えられる。しかし、流速が大きいことが原因で潰食（腐食）が進むため、装置の信頼性を犠牲にすることとなっていた。これに対し、本発明者らは、流路のアスペクト比を大きくして、わずか数ｍｍ程度ヒートシンクを厚くするだけで、熱抵抗が従来と変わらず、潰食を抑制できる構成とすることを見出したのである。

また、本実施の形態１の半導体レーザ光源装置によれば、半導体レーザアレイ１が、電気絶縁性と高熱伝導率を有するサブマウント基板２上に実装され、第一電極板４が電気絶縁性を有する第一絶縁板６ａ上に実装され、第二電極板５が電気絶縁性を有する第二絶縁板６ｂ上に実装され、第一電極板４、金属配線７ａ、サブマウント基板２、半導体レーザアレイ１、金属配線７ｂ、第二電極板５の間で給電路を構成する構成となっている。このようにして、給電路と冷却部９とを電気的に分離することで、電食の影響をなくし、長期信頼性を向上させることができる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置を示す斜視図である。図８は、本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置を示す、図７のＸ方向中央部における断面側面図である。図９は、本発明の実施の形態２による半導体レーザ光源装置のヒートシンク内部水路形状を示す、図８のＢ−Ｂ位置での断面図である。本実施の形態２による半導体レーザ光源装置においては、実施の形態１と比較して、冷却部９への冷却水供給方法が異なっている。冷却部９は、実施の形態１と同様、複数の扁平流路９ａから形成されており、冷却部９の両側からそれぞれヒートシンク３の底面に連通する２つの冷却水通路９０が設けられている。冷却水の供給は、水冷ブロック１０から冷却水通路９０を介して供給する。また、ヒートシンク３と水冷ブロック１０との間には、水漏れ防止のため水路封止部材１５を挿入する。水路封止部材１５には、弾性のあるゴム製環状パッキン（Ｏリング）を用いる。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。半導体レーザ光源装置を組み立てる一連の工程は、実施の形態１と同様の工程であるため、説明は省略する。レーザ発振動作についても、実施の形態１と同様の動作であるため、説明は省略する。

本実施の形態２の半導体レーザ光源装置によれば、実施の形態１の効果に加え、水路継手部材８が不要となることで、半導体レーザ光源装置の奥行き（Ｚ方向寸法）を小さくすることができる。また、ヒートシンク３の内部水路長が短くなることで、内部水路通過時の圧力損失が小さくなり、実施の形態１よりも小型の冷却水循環装置を使用することができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置を示す斜視図である。図１１は、本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置を示す、図１０のＸ方向中央部における断面側面図である。図１２は、本発明の実施の形態３による半導体レーザ光源装置のレーザ出射面付近を示す拡大斜視図である。本実施の形態３による半導体レーザ光源装置においては、実施の形態１と比較して、半導体レーザアレイ１の上面に形成された第二電極１２（図２Ｂ参照）に間接基板１３が接合されている点で異なっている。

間接基板１３は、半導体レーザアレイ１との線膨張係数（５．９×１０-６／Ｋ）に近い銅−タングステン（以降、ＣｕＷ）（線膨張係数：６．０〜８．３×１０-６／Ｋ）を含む材料から成り、高い熱伝導率（１７０Ｗ／ｍＫ）と電気伝導性を持つ。間接基板１３の半導体レーザアレイ１側の片面には、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ材、あるいはＳｎ系はんだ材が蒸着され、半導体レーザアレイ１の第二電極１２とは、間接基板１３に蒸着したＡｕ−Ｓｎ系はんだ材、あるいはＳｎ系はんだ材によって、はんだ接合により接合される。線膨張係数が近いことより、接合時の半導体レーザアレイ１への応力緩和の役割を果たすと共に、電気伝導性を持つことから、半導体レーザアレイ１の第二電極１２と間接基板１３の上面は電気的に接続される。

金属配線７ｂは、実施の形態１と異なり、間接基板１３の上面と第二電極板５を電気的に接続している。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。半導体レーザ光源装置を組み立てる一連の工程については、異なる工程のみを説明する。その他の工程は、実施の形態１と同様の工程であるため、説明は省略する。

サブマウント基板２上に半導体レーザアレイ１を、サブマウント基板の端縁部２ａを基準に、半導体レーザアレイ１の端縁部１ａが＋Ｚ方向に０〜３０μｍ程度突出した位置に載置し、半導体レーザアレイ１上に間接基板１３を、半導体レーザアレイ１の端縁部１ａを基準に、間接基板の端縁部１３ａが−Ｚ方向に０〜３０μｍ程度後退した位置に載置する。この後、サブマウント基板２上面に予め形成されたＡｕ-Ｓｎ系はんだ材、間接基板１３の裏面部に予め形成されたＡｕ-Ｓｎ系はんだ材を溶融して、サブマウント基板２上に半導体レーザアレイ１を、半導体レーザアレイ１上に間接基板１３を接合する。実施の形態１と同様に、第二電極板５まで実装した後、金属配線７ｂを用いて、第二電極板５と間接基板１３を電気的に接続する。レーザ発振動作については、実施の形態１と同様の動作であるため、説明は省略する。

本実施の形態３による半導体レーザ光源装置によれば、実施の形態１の効果に加え、間接基板１３を半導体レーザアレイ１上に接合することで、高い熱伝導率（１７０Ｗ／ｍＫ）の間接基板１３により、半導体レーザアレイ１からの発熱がＸＺ平面上を広がるため、半導体レーザアレイ１のＸＺ平面上で生じる温度分布が緩和される。また、間接基板１３が電気伝導性をもつことから、間接基板１３が無い場合には金属配線７ｂの半導体レーザアレイ１上の接続位置によって半導体レーザアレイ１のＸＺ平面内に生じる電流分布が緩和される。以上により、半導体レーザアレイ１内の温度分布、電流分布が緩和されることで、アレイ内に並べられた複数の半導体レーザ素子への熱的負荷及び電気的負荷が均一になり、複数の半導体レーザ素子の内の特定の半導体レーザ素子への高負荷による破損を抑制できるため、半導体レーザ光源装置としての寿命を長くできる。

実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４による半導体レーザ光源装置を示す斜視図である。図１４は、本発明の実施の形態４による半導体レーザ光源装置を示す、図１３のＸ方向中央部における断面側面図である。本実施の形態４による半導体レーザ光源装置においては、実施の形態２と比較して、半導体レーザアレイ１の上面に形成された第二電極１２上に間接基板１３が接合されている点で異なっている。間接基板１３は、サブマウント基板２の端縁部を基準に、間接基板１３の端縁部がＺ方向で一致するように、また、間接基板１３の端縁部を基準に、半導体レーザアレイ１の長辺側の端縁部が、＋Ｚ軸方向に０〜３０μｍ程度突出した位置に載置する。また、金属配線７ｂにて、間接基板１３と第二電極板５間を電気的に接続する。その他の構成は、実施の形態２と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。

間接基板１３は、半導体レーザアレイ１の線膨張係数（５．９×１０-６／Ｋ）に近い銅−タングステン（以降、ＣｕＷ）（線膨張係数：６．０〜８．３×１０-６／Ｋ）を含む材料から成り、高い熱伝導率（１７０Ｗ／ｍＫ）と電気伝導性を持つ。間接基板１３の半導体レーザアレイ１側の片面には、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ材、あるいはＳｎ系はんだ材が蒸着されており、間接基板１３に蒸着されたＡｕ−Ｓｎ系はんだ材、あるいはＳｎ系はんだ材によって、半導体レーザアレイ１と、はんだ接合により接合する。線膨張係数が近いことより、接合時の半導体レーザアレイ１への応力緩和の役割を果たすと共に、電気伝導性を持つことから、半導体レーザアレイ１の第二電極と間接基板１３の上面は電気的に接続される。

半導体レーザ光源装置を組み立てる一連の工程については、実施の形態２と異なる工程のみを説明する。その他の工程は、実施の形態２と同様の工程であるため、説明は省略する。サブマウント基板２上に半導体レーザアレイ１を、サブマウント基板２の端縁部を基準に、半導体レーザアレイ１の端縁部が＋Ｚ方向に０〜３０μｍ程度突出した位置に載置し、半導体レーザアレイ１上に間接基板１３を、半導体レーザアレイ１の端縁部を基準に、間接基板１３の端縁部が−Ｚ方向に０〜３０μｍ程度後退した位置に載置する。この後、サブマウント基板２上面に予め形成されたＡｕ-Ｓｎ系はんだ材、間接基板１３の裏面部に予め形成されたＡｕ-Ｓｎ系はんだ材を溶融して、サブマウント基板２上に半導体レーザアレイ１を、半導体レーザアレイ１上に間接基板１３を接合する。実施の形態１と同様に、第二電極板５まで実装した後、金属配線７ｂを用いて、第二電極板５と間接基板１３を電気的に接続する。レーザ発振動作については、実施の形態１と同様の動作であるため、説明は省略する。

本実施の形態４による半導体レーザ光源装置によれば、実施の形態２の効果に加え、間接基板１３を半導体レーザアレイ１上に実装することで、間接基板１３の熱伝導率により、半導体レーザアレイ１からの発熱がＸＺ平面上を広がるため、半導体レーザアレイ１のＸＺ平面上に生じる温度分布が緩和される。また、間接基板１３が電気伝導性をもつことから、間接基板１３が無い場合に金属配線７ｂの半導体レーザアレイ１上の接続位置によって半導体レーザアレイ１のＸＺ平面内に生じる電流分布が緩和される。以上により、半導体レーザアレイ１内の温度分布、電流分布が緩和されることで、アレイ内に並べられた複数の半導体レーザ素子への熱的負荷及び電気的負荷が均一になり、特定のレーザ素子への高負荷による破損を抑制できるため、半導体レーザ光源装置としての寿命を長くできる。

実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５による半導体レーザ光源装置の構成を示す、Ｘ方向中央部における断面側面図である。図１５において、本実施の形態５の半導体レーザ光源装置においては、実施の形態１と比較してヒートシンクの形状は同じだが、ヒートシンクの材質が複合材となっている点で異なっている。ヒートシンク３は、第一ヒートシンク部材３１、第二ヒートシンク部材３２、及び第三ヒートシンク部材３３からなり、実施の形態１のヒートシンク３と形状は同じで、複合材から成る３層構造である。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。また、半導体レーザ光源装置を組み立てる一連の工程とレーザ発振動作については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

１層目となる第一ヒートシンク部材３１である、ヒートシンク上面のサブマウント基板２が接合される面と冷却部９内の扁平流路を構成するために櫛歯形状の並んでいる角材部分は、半導体レーザアレイ１がレーザ発振時に、半導体レーザアレイ１から発生する熱を、効率よく放熱する必要がある。このため、第一ヒートシンク部材３１は、下記で説明する第二ヒートシンク部材３２よりも熱伝導率が大きく熱伝導性に優れた材料、例えば、Ｃｕなどの金属材料で構成する。水路部分の形状を維持し、冷却水通路９０が形成され、冷却水の出入り口となる水路継手部材８が取り付けられる部分は、２層目となる第二ヒートシンク部材３２で構成する。上記のように第一ヒートシンク部材３１は熱伝導率が大きい材料、具体的には、通常、Ｃｕ（銅）などを用いる。一方、半導体レーザアレイ１の線膨張係数は通常銅よりかなり小さい。このため、第一ヒートシンク部材３１の線膨張係数が、半導体レーザアレイ１の線膨張係数よりも大きくなる。第二ヒートシンク部材３２の線膨張係数が、第一ヒートシンク部材３１の線膨張係数よりも小さくなるよう、第二ヒートシンク部材３２を第一ヒートシンク部材３１よりも小さい線膨張係数を持つ材料で構成することにより、ヒートシンク３全体を第一ヒートシンク部材と同じ材料で構成したときよりも、ヒートシンク３全体の線膨張係数を半導体レーザアレイ１の線膨張係数に近づけることができる。より好ましくは、第二ヒートシンク部材３２は、半導体レーザアレイ１よりも小さい線膨張係数を持つ材料、例えば、モリブデン（以降、Ｍｏ）などの金属材料で構成するのが良い。下面底板であり、３層目となる第三ヒートシンク部材３３は、１層目と同じ材料で構成する。各層はロウ付けなどで接合されている。水が流れる部分にメッキを行ってもいい。この構成ならば、扁平形状だけでなく複雑な形状の流路も作製可能となる。したがって、図１５で示すヒートシンクの構造は、実施の形態１で説明した、アスペクト比が大きな扁平形状の流路を有するヒートシンクのみならず、従来のアスペクト比の小さな流路のマイクロチャネルを有するヒートシンクにおいても適用できる。もちろん、実施の形態２−４のヒートシンク３に適用することも可能である。なお、ヒートシンクの材料は、金属材料以外に、セラミックス、カーボン、ダイヤモンド、サファイア等の非金属材料であってもよい。

この構成により、ヒートシンク３全体を第一ヒートシンク部材３１と同じ材料で作製した時よりも、ヒートシンク３全体としての線膨張係数が下がり、半導体レーザアレイ１の線膨張係数の値に近づけることができる。なお、第一ヒートシンク部材３１の線膨張係数が、半導体レーザアレイ１の線膨張係数よりも小さいときは、第二ヒートシンク部材３２を、第一ヒートシンク部材３１よりも大きい線膨張係数を持つ材料で構成することにより、ヒートシンク３全体としての線膨張係数を半導体レーザアレイ１の線膨張係数に近づけることができる。

本実施の形態５の半導体レーザ光源装置によれば、ヒートシンクの線膨張係数の値を半導体レーザアレイに近付けることができ、半導体レーザアレイ１とサブマウント基板２が実装された部材をヒートシンク上にハンダを融解させ接合する時にかかる熱応力を低減することが可能になる。熱応力の緩和により、半導体レーザ光源装置は、発振の信頼性向上と長寿命化が図れる。また、実施の形態１で説明したアスペクト比の大きい扁平流路９ａを有するマイクロチャネルのヒートシンクに適用することにより、実施の形態１で説明した効果、すなわち、小さい流速で排熱性能が確保できるとともに、潰食を抑制することができるという効果を有するようにできる。

実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６による半導体レーザ光源装置の構成を示す、Ｘ方向中央部における断面側面図である。図１６における本実施の形態６の半導体レーザ光源装置においては、実施の形態１と比較してヒートシンク３の形状は同じだが、ヒートシンク３の材質が複合材となっている点で異なっている。ヒートシンク３は、第一ヒートシンク部材３１および第二ヒートシンク部材３２からなり、実施の形態１のヒートシンク３と形状は同じで、複合材で構成された２層構造である。実施の形態５のヒートシンク３は３層構造であるが、本実施の形態６ではヒートシンク３は２層構造となっている。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。また、半導体レーザ光源装置を組み立てる一連の工程とレーザ発振動作については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

１層目となる第一ヒートシンク部材３１は、ヒートシンク上面のサブマウント基板２が乗る面と冷却部９内の扁平流路を構成するために櫛歯形状の並んでいる角材部分は、半導体レーザアレイ１がレーザ発振時に、半導体レーザアレイ１から発生する熱を、効率よく放熱する必要がある。このため、第一ヒートシンク部材３１は、実施の形態５の第一ヒートシンク部材３１と同様、第二ヒートシンク部材３２よりも熱伝導率が大きく熱伝導性に優れた材料、例えば、Ｃｕなどの金属材料で構成する。水路部分の形状を維持し、冷却水通路９０が形成され、冷却水の出入り口となる水路継手部材８が取りつけられる部分、および実施の形態５では第一ヒートシンク部材３１と同じ材料で形成した下面底板に相当する部分は、２層目となる第二ヒートシンク部材３２で構成する。第一ヒートシンク部材３１をＣｕなど熱伝導率が大きい材料で構成した場合、通常、第一ヒートシンク部材３１の線膨張係数が、半導体レーザアレイ１の線膨張係数よりも大きくなる。第二ヒートシンク部材３２を、実施の形態５における第二ヒートシンク部材３２と同様、第一ヒートシンク部材よりも小さい線膨張係数を持つ材料で構成することにより、ヒートシンク３全体を第一ヒートシンク部材と同じ材料で構成したときよりも、ヒートシンク３全体の線膨張係数を半導体レーザアレイ１の線膨張係数に近づけることができる。より好ましくは、第二ヒートシンク部材３２は、半導体レーザアレイ１よりも小さい線膨張係数を持つ材料、モリブデン（以降、Ｍｏ）などの金属材料で構成するのが良い。第一ヒートシンク部材３１と第二ヒートシンク部材３２はロウ付けなどで接合されている。水が流れる部分にメッキを行ってもいい。図１６で示すヒートシンクの構造は、実施の形態１で説明した、アスペクト比が大きな扁平形状の流路を有するヒートシンクのみならず、従来のアスペクト比の小さな流路を有するマイクロチャネルのヒートシンクにおいても適用できる。もちろん、実施の形態２−４のヒートシンク３に適用することも可能である。なお、ヒートシンクの材料は、金属材料以外に、セラミックス、カーボン、ダイヤモンド、サファイア等の非金属材料であってもよい。

この構成により、ヒートシンク３全体を第一ヒートシンク部材３１と同じ材料で作製した時よりも、ヒートシンク３全体としての線膨張係数が下がり、半導体レーザアレイ１の線膨張係数の値に近づけることができる。なお、第一ヒートシンク部材３１の線膨張係数が、半導体レーザアレイ１の線膨張係数よりも小さいときは、第二ヒートシンク部材３２を、第一ヒートシンク部材３１よりも大きい線膨張係数を持つ材料で構成することにより、ヒートシンク３全体としての線膨張係数を半導体レーザアレイ１の線膨張係数に近づけることができる。

本実施の形態６の半導体レーザ光源装置によれば、ヒートシンクの線膨張係数の値を半導体レーザアレイに近付けることができ、半導体レーザアレイ１とサブマウント基板２が実装された部材をヒートシンク上にハンダを融解させ接合する時にかかる熱応力を低減することが可能になる。熱応力の緩和により、半導体レーザ光源装置は、発振の信頼性向上と長寿命化が図れる。また、実施の形態１で説明したアスペクト比の大きい扁平流路９ａを有するマイクロチャネルのヒートシンクに適用することにより、実施の形態１で説明した効果、すなわち、小さい流速で排熱性能が確保できるとともに、潰食を抑制することができるという効果を有するようにできる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 半導体レーザアレイ、１ａ 半導体レーザアレイの端縁部、２ サブマウント基板、３ ヒートシンク、４ 第一電極板、５ 第二電極板、６ａ 第一絶縁板、６ｂ 第二絶縁板、７ａ、７ｂ 金属配線、９ 冷却部、９ａ 扁平流路、９０ 冷却水通路、１０冷却ブロック、１３ 間接基板、３１ 第一ヒートシンク部材、３２ 第二ヒートシンク部材、３３ 第三ヒートシンク部材

Claims (11)

1. 電気絶縁性材料の基板の片面に導電性の電極層が形成されたサブマウント基板の前記電極層に、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられ、片面に第一電極、他面に第二電極が形成された板状の半導体レーザアレイの前記第一電極が接合され、前記サブマウント基板の前記電極層が形成された面とは反対側の面が金属のヒートシンクに接合された半導体レーザ光源装置において、
   前記ヒートシンクの、前記サブマウント基板が接合されている面に垂直な方向をＹ方向、このＹ方向に垂直で前記半導体レーザアレイの複数の半導体レーザ素子が並ぶ方向をＸ方向、前記Ｙ方向および前記Ｘ方向に垂直な方向をＺ方向とした場合、前記サブマウント基板が前記Ｙ方向から前記ヒートシンクの内部に投影された領域に、前記Ｚ方向の幅が２００μｍから６００μｍの範囲の寸法、および前記Ｙ方向の深さが３ｍｍから５ｍｍの範囲の寸法の扁平形状の扁平流路が、前記Ｚ方向にピッチ１ｍｍ以下で複数並んだ冷却部が形成され、前記冷却部の前記Ｘ方向の一方から他方に冷却水が流れるよう、前記ヒートシンクの外部から前記冷却部に連通する２つの冷却水通路が設けられたことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
2. 前記ヒートシンクの前記サブマウント基板が接合された面とは反対側の面に、２つの前記冷却水通路の内、一方の冷却水通路から前記冷却水を流入させ、他方の冷却水通路から前記冷却水を流出させる冷却ブロックが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
3. 前記ヒートシンクの前記サブマウント基板が接合された面であって、前記サブマウント基板が接合された領域とは別の領域に第一絶縁板を介して第一電極板が固定され、この第一電極板の前記ヒートシンクとは反対側の面に第二絶縁板を介して第二電極板が固定され、前記サブマウント基板の前記電極層と前記第一電極板とが金属配線で接続され、前記半導体レーザアレイの前記第二電極と前記第二電極板とが金属配線で接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ光源装置。
4. 前記ヒートシンクの前記サブマウント基板が接合された面であって、前記サブマウント基板が接合された領域とは別の領域に第一絶縁板を介して第一電極板が固定され、この第一電極板の前記ヒートシンクとは反対側の面に第二絶縁板を介して第二電極板が固定され、前記半導体レーザアレイの前記第二電極に導電性の間接基板が接合され、前記サブマウント基板の前記電極層と前記第一電極板とが金属配線で接続され、前記間接基板と前記第二電極板とが金属配線で接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ光源装置。
5. 前記第一電極板および前記第二電極板は、絶縁性のねじ、または絶縁性のブッシュにより絶縁されたねじにより前記ヒートシンクに固定されたことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体レーザ光源装置。
6. 前記サブマウント基板の材料が、シリコンカーバイドまたは窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
7. 前記ヒートシンクの材料が銅であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
8. 前記ヒートシンクは、少なくとも、前記扁平流路を構成する部分から前記半導体レーザアレイが接合される面までを構成する部分が第一ヒートシンク部材で構成され、前記冷却水通路を形成する部分が前記第一ヒートシンク部材に接合された第二ヒートシンク部材で構成されており、前記第一ヒートシンク部材の熱伝導率は前記第二ヒートシンク部材の熱伝導率よりも大きく、
   前記第一ヒートシンク部材の線膨張係数が前記半導体レーザアレイの線膨張係数よりも大きい場合は、前記第二ヒートシンク部材は前記第一ヒートシンク部材よりも小さい線膨張係数の材料で構成され、
   前記第一ヒートシンク部材の線膨張係数が前記半導体レーザアレイの線膨張係数よりも小さい場合は、前記第二ヒートシンク部材は前記第一ヒートシンク部材よりも大きい線膨張係数の材料で構成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
9. 前記ヒートシンクは、前記扁平流路を構成する部分から前記半導体レーザアレイが接合される面までを構成する部分が第一ヒートシンク部材で構成され、前記冷却水通路を形成する部分が第二ヒートシンク部材で構成され、前記サブマウント基板が接合される側と反対側である下面底板の部分が前記第一ヒートシンク部材と同じ材料で形成され前記第二ヒートシンク部材に接合された第三ヒートシンク部材で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ光源装置。
10. 電気絶縁性材料の基板の片面に導電性の電極層が形成されたサブマウント基板の前記電極層に、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられ、片面に第一電極、他面に第二電極が形成された板状の半導体レーザアレイの前記第一電極が接合され、前記サブマウント基板の前記電極層が形成された面とは反対側の面が金属のヒートシンクに接合された半導体レーザ光源装置であって、
    前記ヒートシンクの、前記サブマウント基板が接合されている面に垂直な方向をＹ方向、このＹ方向に垂直で前記半導体レーザアレイの複数の半導体レーザ素子が並ぶ方向をＸ方向、前記Ｙ方向および前記Ｘ方向に垂直な方向をＺ方向とした場合、前記サブマウント基板が前記Ｙ方向から前記ヒートシンクの内部に投影された領域に、複数の流路が前記Ｚ方向に並んだ冷却部が形成され、前記冷却部の前記Ｘ方向の一方から他方に冷却水が流れるよう、前記ヒートシンクの外部から前記冷却部に連通する２つの冷却水通路が設けられた半導体レーザ光源装置において、
    前記ヒートシンクは、少なくとも、前記複数の流路を構成する部分から前記半導体レーザアレイが接合される面までを構成する部分が第一ヒートシンク部材で構成され、前記冷却水通路を形成する部分が、前記第一ヒートシンク部材に接合された第二ヒートシンク部材で構成されており、前記第一ヒートシンク部材の熱伝導率は前記第二ヒートシンク部材の熱伝導率よりも大きく、
    前記第一ヒートシンク部材の線膨張係数が前記半導体レーザアレイの線膨張係数よりも大きい場合は、前記第二ヒートシンク部材は前記第一ヒートシンク部材よりも小さい線膨張係数の材料で構成され、
    前記第一ヒートシンク部材の線膨張係数が前記半導体レーザアレイの線膨張係数よりも小さい場合は、前記第二ヒートシンク部材は前記第一ヒートシンク部材よりも大きい線膨張係数の材料で構成されたことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
11. 前記ヒートシンクは、さらに、前記サブマウント基板が接合される側と反対側である下面底板の部分が前記第一ヒートシンク部材と同じ材料で形成され、前記第二ヒートシンク部材に接合された第三ヒートシンク部材で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ光源装置。

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