JP7271243B2 - レーザ装置及びそれに用いる蓋体 - Google Patents
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前記蓋体は、
支持部材と、
1以上の開口が設けられた非透光性部材と、
前記1以上の開口を一体的に塞ぐ透光性部材と、
前記非透光性部材を前記支持部材に固定する第1接着部材と、
前記透光性部材を前記非透光性部材に固定する第2接着部材と、を有し、
前記透光性部材は、ホウ珪酸ガラスを主材料とし、
前記非透光性部材は、42%Ni-Fe合金を主材料とすることを特徴とする蓋体。
前記蓋体に接続され、前記蓋体と共に封止空間を形成するパッケージ本体と、
前記封止空間内に配置された複数の半導体レーザ素子と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
図3に示すように、レーザ装置1に用いられるパッケージ本体10は、基体12と、枠体14と、板体16と、を有することができる。
基体12は、その上に半導体レーザ素子30等を実装可能な部材である。典型的には、基体12の下面12Bは、ヒートシンク等と熱的に接続され、半導体レーザ素子30の熱を放散するための放熱面として利用される。基体12は、平板状の部材でもよいが、図1Cに示すように、上方に突出した凸部を有する部材とすることができる。凸部は、枠体14に囲まれる位置に形成されており、上面12Aのうち凸部の頂面に相当する領域が半導体レーザ素子30等が実装される実装面となる。実装面が平坦であるほど半導体レーザ素子30等を固定する接合部材の接合強度を向上可能である場合があるため、半導体レーザ素子30等を実装する前に実装面に平坦化処理を行うことが好ましい。平坦化処理としては、研磨、圧延処理などが挙げられる。なお、本明細書において基体12の上面12Aとは半導体レーザ素子30が実装される側の面を指し、下面12Bとはその反対側の面を指す。また、本明細書において「上(上方向)」とは、基体12の下面12Bから上面12Aに向かう方向を指し、平面視は上面視と同じ意味で使用する。
枠体14は、基体12の上面12Aに接合されている。枠体14に囲まれた領域が、半導体レーザ素子30等を実装する領域となる。枠体14は、蓋体80を接合することで半導体レーザ素子30等を気密封止できるように、基体12に接合されていればよい。図1B及び図1Cに示すように、基体12の凸部の周囲の面に枠体14を接合することができる。
アノード側端子15A及びカソード側端子15Bは、半導体レーザ素子30を外部の電源等に電気的に接続するための部材である。アノード側端子15A、カソード側端子15Bは、固定部材を介して板体16に固定することができる。固定部材の材料としては、例えばホウケイ酸ガラスが挙げられる。アノード側端子15A及びカソード側端子15Bが基体12の下面12Bに設けられていないことにより、基体12の下面12Bの略全面を放熱面として利用することができる。これにより、熱源となる半導体レーザ素子30が1つのパッケージ本体10に複数配置されることによる発熱を良好に放散させることができる。例えば、アノード側端子15A及びカソード側端子15Bは金属からなる。アノード側端子15A及びカソード側端子15Bの材料としては、コバール、鉄ニッケル合金等が挙げられる。
板体16は、枠体14の外側面に接合することができる。板体16には貫通孔が設けられており、アノード側端子15A及びカソード側端子15Bはそれぞれ貫通孔に挿入されている。図1Aから図1Cに示すパッケージ本体10では、枠体14の対向する2つの外側面にそれぞれ板体16が接合されており、それぞれの板体16には複数の貫通孔が設けられ、それぞれの貫通孔にアノード側端子15A及びカソード側端子15Bが配置されている。
図4は基体12上に半導体レーザ素子30が配置された状態を示す模式的平面図である。図4に示すように、半導体レーザ素子30は基体12の上面12Aの側に載置される。なお、半導体レーザ素子30が上面12Aの側に載置されるとは、半導体レーザ素子30が上面12Aに直接接合されている場合に限らず、半導体レーザ素子30が別部材を介して上面12Aに固定されている場合も含む。レーザ装置1では、図1Cに示すように、上面12Aにサブマウント41が固定され、サブマウント41に半導体レーザ素子30が固定されている。サブマウント41を介して半導体レーザ素子30を配置する場合、サブマウント41の材料として、基体12と半導体レーザ素子30との間の線膨張係数を有する材料を用いることができる。これにより、温度変化で生じる応力を低減することができる。
図1Dに示すように、レーザ装置1は、ミラー50を備えていてもよい。ミラー50は半導体レーザ素子30のレーザ光を出射する光出射面とミラー50の傾斜面とが向かい合うように配置される。ミラー50は半導体レーザ素子30が出射するレーザ光を反射させる反射面を有する。ミラー50は、例えば、実装面及び実装面に対して傾斜した傾斜面を含む母体と、母体の傾斜面に設けられた反射膜とを有する。ミラー50の母体としては、ガラス、合成石英、シリコン、サファイア、アルミニウム等を用いることができる。ミラー50の反射膜としては、金属膜、誘電体多層膜等を用いることができる。
蓋体80は、非透光性部材82と、透光性部材84と、第2接着部材83Bと、を有する。蓋体80は、パッケージ本体10に接続される。これにより封止空間を形成することができ、半導体レーザ素子30を気密封止することができる。図2A及び図2Bに示すように、蓋体80は、さらに支持部材85を有することができる。複数の開口82cは、複数の半導体レーザ素子30からのレーザ光を外部へ取り出すことが可能な位置に設けられている。
非透光性部材82には、1以上の開口が設けられている。図2Aに示す非透光性部材82は、外枠部82Aと、外枠部82Aに接続された1以上の内枠部82Bとを含み、非透光性部材82には外枠部82A及び内枠部82Bによって規定される複数の開口82cが設けられている。なお、図2A及び図2Bにおいては、非透光性部材82を実線で示し、非透光性部材82以外の部材を破線で示す。
第1接着部材83Aは、非透光性部材82を支持部材85に固定する部材である。
上述のとおり、非透光性部材82と透光性部材84とを第2接着部材83Bを介して接合する工程は、支持部材85と非透光性部材82とを第1接着部材83Aを介して接合する工程を経た後で行うことが好ましい可能性がある。言い換えると、第1接着部材83Aの溶ける温度は第2接着部材83Bの溶ける温度よりも高いことが好ましいと考えられる。第1接着部材83Aが溶ける温度とは、第1接着部材83Aがガラスを主材料とする場合はそのガラスが軟化、変形または流動する温度を指し、第1接着部材83Aが金属を主材料とする場合はその金属の融点を指す。第1接着部材83Aが溶ける温度は、第1接着部材83Aを用いて各部材を接合する際の接合温度と言い換えてもよい。なお、接合温度と、接合後に第1接着部材83Aが再び溶ける温度とが異なる場合は、接合温度の方を基準として用いることが好ましい。第2接着部材83Bが溶ける温度についても同様である。
第2接着部材83Bは、図1Dに示すように、透光性部材84の表面のうち側面に接続されていることが好ましい。これにより、第2接着部材83Bが設けられていない内枠部82Bの上面を透光性部材84の下面に接触させやすいので、透光性部材84を内枠部82Bによって支持することが可能である。また、非透光性部材82と透光性部材84との間に第2接着部材83Bを配置すると、接着時に第2接着部材83Bが透光性部材84の表面を広がり、半導体レーザ素子30からの光の経路が第2接着部材83Bで塞がれる懸念がある。透光性部材84の側面に第2接着部材83Bを接続することで、透光性部材84の光が透過可能な領域を増大させることができる。これらの効果をより確実に得るために、第2接着部材83Bは透光性部材84の表面のうち実質的に側面のみに接続されていることが好ましい。このような第2接着部材83Bは、例えば、まず透光性部材84と接触しない位置に第2接着部材83Bを形成し、その後に第2接着部材83Bを溶かして透光性部材84に接続させることで形成することができる。
透光性部材84には、パッケージ本体10及び蓋体80に囲まれた封止空間内で発光する光の少なくとも一部を透過させる部材を用いる。例えば、半導体レーザ素子30の発光を透過させる部材を用いる。また、半導体レーザ素子30の発光で励起される蛍光体含有部材を封止空間内に配置する場合には、少なくともその蛍光を透過させる部材を透光性部材84として用いる。透光性部材84の主材料はホウ珪酸ガラスであることが好ましい。これにより、非透光性部材82を42%Ni-Fe合金を主材料として形成したときに、透光性部材84を透過する複数のレーザ光の偏光比のばらつきを小さくすることができる。
図2A及び図2Bに示すように、蓋体80は支持部材85を有することができる。この場合、支持部材85をパッケージ本体10に溶接等により接続する。支持部材85は、非透光性部材82を支持する部材である。支持部材85には開口85aが設けられている。開口85aを規定する支持部材85の縁は、平面視において、非透光性部材82の外縁よりも内側にあり、且つ、非透光性部材82の開口82cよりも外側にある。そして、開口85aを規定する支持部材85の縁から非透光性部材82の外縁までの間に第1接着部材83Aが配置されており、この第1接着部材83Aによって支持部材85の上面と非透光性部材82の下面とが接合されている。
レーザ装置1は、さらに、蓋体80の上に、レンズ部を有するレンズ部材を配置してもよい。また、レーザ装置1はツェナーダイオードなどの保護素子42を備えてもよい。例えば1つの半導体レーザ素子30に対して1つの保護素子42を接続することができる。この場合、保護素子42と半導体レーザ素子30とは1つのサブマウント41に固定することができる。
実施例1として、図1A~図1Eに示すレーザ装置1を作製した。基体12は銅を主材料として形成し、枠体14は軟鋼を主材料として形成し、板体16は軟鋼を主材料として形成した。支持部材85は45%Ni-Fe合金を主材料として形成し、非透光性部材82は42%Ni-Fe合金を主材料として形成し、透光性部材84はホウ珪酸ガラスを主材料として形成した。蓋体80の形成は、まず、第1接着部材83Aとして銀ロウを用いて約900℃の加熱によりこれを溶融させ、支持部材85と非透光性部材82を接合した。その後、第2接着部材83Bとしてビスマス系ガラスを用いて約600℃の加熱によりこれを溶融させ、非透光性部材82と透光性部材84を接合した。支持部材85と枠体14はシーム溶接により接合した。実施例1のレーザ装置1の基体12のサイズは47.5mm×29mmであり、支持部材85の開口のサイズは24.4mm×18mmであり、非透光性部材82の各開口のサイズは15.6mm×4mmであった。レーザ装置1に搭載した半導体レーザ素子30の数は1つの開口82cあたり6個ずつ合計24個であった。半導体レーザ素子30はいずれも、出射するレーザ光のドミナント波長が450~460nmの範囲内であった。
比較例1のレーザ装置は、非透光性部材82を、45%Ni-Fe合金を主材料として形成したこと以外は実施例1と同様にして作製した。
比較例2のレーザ装置は、非透光性部材82を45%Ni-Fe合金を主材料として形成したこと、及び、透光性部材を1つの開口82cにつき1つずつ合計4つ設けたこと以外は実施例1と同様にして作製した。すなわち、比較例1と比較例2とは、透光性部材のサイズ及び数が相違しているが、それ以外は同じとした。
実施例1と比較例1と比較例2のレーザ装置について、半導体レーザ素子を駆動させ、その偏光特性を測定した。測定条件として、パッケージ本体10の側面の温度を25℃とし、各半導体レーザ素子30に流す電流を3Aとした。各レーザ装置の半導体レーザ素子が出射するレーザ光はいずれもTE成分を主とするs偏光の光であり、偏光比はTE成分とTM成分の比(TE/TM)とした。そして、偏光比比率として、1つのレーザ装置における偏光比の最大値と最小値の比率を求めた。偏光比比率が1に近いほど偏光比のばらつきが小さいといえる。偏光比比率は、実施例1が約4.0であり、比較例1が約38.7であり、比較例2が約5.2であった。また、透光性部材1つあたりの面積は、実施例1及び比較例1が371.25mm2であり、比較例2が74.25mm2であった。このような実施例1と比較例1と比較例2について、透光性部材1つあたりの面積と偏光比比率の関係を図6に示す。図6に示すように、透光性部材1つあたりの面積が小さいほど偏光比比率も小さくなるが、実施例1において非透光性部材82の主材料を42%Ni-Fe合金とすることで、透光性部材のサイズが4分の1である比較例2と同等程度の偏光比比率とすることができた。
10 パッケージ本体
12 基体
12A 上面
12B 下面
14 枠体
15A アノード側端子
15B カソード側端子
16 板体
30 半導体レーザ素子
41 サブマウント
42 保護素子
50 ミラー
60 ワイヤ
70 中継部材
80 蓋体
82 非透光性部材
82A 外枠部
82B 内枠部
82c 開口
82ca 一端
82cb 他端
82D 第1内側面
82E 第2内側面
821 母材
822 金属膜
83A 第1接着部材
83B 第2接着部材
84 透光性部材
85 支持部材
85a 開口
851 母材
852 金属膜
X 第1方向
Y 第2方向
Claims (9)
- レーザ装置に用いる蓋体であって、
前記蓋体は、
支持部材と、
1以上の開口が設けられた非透光性部材と、
前記1以上の開口を一体的に塞ぐ透光性部材と、
前記非透光性部材を前記支持部材に固定する第1接着部材と、
前記透光性部材を前記非透光性部材に固定する第2接着部材と、を有し、
前記透光性部材は、ホウ珪酸ガラスを主材料とし、
前記非透光性部材は、42%Ni-Fe合金を主材料とし、
前記支持部材は、45%Ni-Fe合金を主材料とすることを特徴とする蓋体。 - レーザ装置に用いる蓋体であって、
前記蓋体は、
支持部材と、
1以上の開口が設けられた非透光性部材と、
前記1以上の開口を一体的に塞ぐ透光性部材と、
前記非透光性部材を前記支持部材に固定する第1接着部材と、
前記透光性部材を前記非透光性部材に固定する第2接着部材と、を有し、
前記透光性部材は、ホウ珪酸ガラスを主材料とし、
前記非透光性部材は、42%Ni-Fe合金を主材料とし、
前記非透光性部材は、外枠部と、前記外枠部に接続された1以上の内枠部とを含み、
前記1以上の開口は、前記外枠部及び前記内枠部によって規定されることを特徴とする蓋体。 - 前記第2接着部材は、前記外枠部に設けられており、前記内枠部には設けられていないことを特徴とする請求項2に記載の蓋体。
- レーザ装置に用いる蓋体であって、
前記蓋体は、
支持部材と、
1以上の開口が設けられた非透光性部材と、
前記1以上の開口を一体的に塞ぐ透光性部材と、
前記非透光性部材を前記支持部材に固定する第1接着部材と、
前記透光性部材を前記非透光性部材に固定する第2接着部材と、を有し、
前記透光性部材は、ホウ珪酸ガラスを主材料とし、
前記非透光性部材は、42%Ni-Fe合金を主材料とし、
前記第2接着部材は、前記透光性部材の表面のうち側面に接続されていることを特徴とする蓋体。 - 前記透光性部材の面積は100mm2以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の蓋体。
- 前記第1接着部材の溶ける温度は、前記第2接着部材の溶ける温度よりも高いことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の蓋体。
- 前記第2接着部材は、ガラスを主材料とすることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の蓋体。
- 前記非透光性部材は、42%Ni-Fe合金からなる母材と、該母材の表面に設けられた1以上の金属膜と、を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の蓋体。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の蓋体と、
前記蓋体に接続され、前記蓋体と共に封止空間を形成するパッケージ本体と、
前記封止空間内に配置された複数の半導体レーザ素子と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
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JP2019047768A JP7271243B2 (ja) | 2019-03-14 | 2019-03-14 | レーザ装置及びそれに用いる蓋体 |
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