JPH03504184A - レーザダイオード用の熱消散装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザダイオード用の熱消散装置 発明の分野 本発明はソリッドステート・デバイスにより発生される廃熱を消散するための装 置およびプロセスに関し、該装置は、（ａ）ソリッドステート・デバイスと、（ ｂ）該ソリッドステート・デバイスにより発生される廃熱を消散するためのヒー トシンクであって、前記ソリッドステート・デバイスと熱的に接触するベース部 材、及び該ベース部材から外方に伸びる複数の細長い熱伝導要素を有する上記ヒ ートシンクと、を備えている。

光凱夏宵景 レーザは、−Ｍ的にはエネルギの注入により基底状態から高エネルギレベルへ励 起された活性媒体の原子、分子あるいはイオンからの光子の誘発放出によって、 単色の干渉性の光を発生する能力を有する装置である。そのような装置は、光に 対する閉止された丸いトリップパスを形成する高度に反射する面により画成され る光共振器すなわちレゾネータを有しており、また活性媒体は光共振器の中に収 容されている。

活性媒体の励起により反転分布が創出されると、低いエネルギ状態への遷移を行 っている励起された原子、分子あるいはイオンからの光子の自然放出が、他の励 起された原子、分子あるいはイオンからの略同−のエネルギの光子の放出を誘発 する。その結果、最初の光子が、略同−のエネルギを有しかつ正確に一致した光 共振器の反射面の間に、光子のカスケードを作り出す。この光子のカスケードの 一部は次に、例えば共振器の１あるいはそれ以上の反射面を透過することによっ て、光共振器から放出される。これら放出された光子がレーザ出力を構成する。

レーザの活性媒体の励起は種々の方法により行うことができる。

しかしながら、最も一般的な方法は、光ポンピング、放電の利用および半導体レ ーザのｐ−ｎ接合を通す電流の通過である。半導体レーザはダイオードを形成す るｐ−ｎ接合を有しており、この接合はレーザの活性媒体として機能する。その ような装置はまたレーザダイオードと呼ばれる。電力を出力放射線に変換するそ のようなレーザの効率は比較的高く、例えば４０％よりも高くすることができる 。

光ポンピングを行わせるためには、放射源からレーザ材料に放出される光子は非 常に厳密な性状でなければならない。特に、ボンピング放射線は、レーザ材料に 吸収されて必要とされる反転分布を生ずる波長でなければならない。

レーザダイオードを通過する電流の流れは価電子帯および伝導帯における電子の 数を乱す。価電子帯における最低空レベルと伝導帯における最低充填レベルとの 間のエネルギギャップが変化する。その結果、出力波長が駆動電流に依存する。

波長は駆動電流の増加と共に増加する。ガリウム・アルミニウム亜ヒ酸塩レーザ ダイオードに対しては、その増加の割合は一般に０．０２５ｎｍ／ｍＡである。

出力波長は、価電子帯および伝導帯の細い電子分布に大きく依存する。従って、 出力波長は接合部の温度の関数である。放射される波長は、接合部の温度が増加 すると増加する。一般に、放射線の波長は０．３乃至Ｑ、４ｎｍ／’Ｃで変化す る。安定した出力波長を必要とするならば、レーザダイオードの温度を一定のレ ヘルに維持しなければならないことは明らかである。通常、これは、小さな熱電 気的なターラユニットと、熱電対センサと、フィードバック回路を用いることに よって達成される。

どのようなレーザ媒体の利得も反転分布比の関数である。これは実際には平衡（ ボルツマン）分布に対する摂動数分布の比である。

レーザダイオードの接合部の温度が上昇すると、電子の自然ボルツマン集団分布 が変化し、同一の有効反転分布を達成するために伝導帯により多くの電子が必要 とされる。従って、一定の励起電流に対しては、レーザダイオードの温度が上昇 すると通常はその出力パワーが低下する。５０，０００時間を超えるレーザダイ オードの寿命は珍しいことではない。しかしながら、これに決定的な効果を有す る特定のファクタがある。装置の高い温度および突然の電流スパイクの両方がレ ーザダイオードに致命的である。

装置の故障は突然で致命的であったり、あるいは性能が徐々に低下する。徐々に 低下するプロセスは、活性接合領域における結晶の欠陥の蓄積によることがある 。これらは小さい場合も大きい場合もあるが、いずれにしても格子における原子 の欠損あるいは特別の格子欠陥原子にその原因がある。これらの格子欠陥と呼ば れる場合においては、しま状組織に不連続部があり、この不連続部は電子が光子 を放出することなく伝導帯から価電子帯へ下って”リーク”することを許容する 。代わりに、余剰のエネルギが格子の振動エネルギとして非発光的に放出される 。その損傷臨界部付近でレーザダイオードを引き続き励起すると、励起電流にお ける突然のスパイク及び合理的な接合部の温度維持の不全により、接合部におけ る格子欠陥の数および大きさが増加する。

レーザダイオードの温度は、２つの理由により、通常の作動の間に周囲温度より も高くなる。第１に、半導体は単純な抵抗加熱により加熱される。第２に、内部 光子束が部分的に不純物により再吸収される。レーザダイオードの寿命を延ばす ためには、何らかの方法でダイオードを冷却するのが効果的であることは明らか である。

装置の故障はまた出力ファセットの低下によっても生ずる。これは突然あるいは 徐々に起こる。これは熱効果に起因し、時々熱酸化と組み合わさって起こる。励 起電流における大きなスパイクは、装置の熱消散能力を超える熱のバーストを発 生することがある。これは出カフアセノドの致命的な損傷あるいは破壊を生ずる 。

従って、ダイオードレーザの温度を制御することは非常に重要なことであり、そ の理由は：１）ダイオードレーザは単位容積当たりに非常に莫大な廃熱を生じ、 温度はレーザダイオードポンプの出力放射線の波長を変化させることによってレ ーザダイオードの特性に大きく影響を与え、特性を変更および変化させること； ２）レーザダイオードの寿命はその温度の関数であること；３）レーザダイオー ドの寿命は温度が大きく上昇することに応答して大きく低下すること；および４ ）一定の励起電流におけるレーザダイオードのパワー出力は温度の関数であり、 温度が低下すると通常は増加することがある。

従って、レーザダイオードからの廃熱を取り除き、上述の総ての問題を解消する 改善された熱除去プロセスおよび装置を提供することが望まれている。

発Ｉ塚１斐 本発明の１実施例は廃熱を消散するための装置を含み、該装置は、４（ａ）ソリ ッドステート・デバイスと；　（ｂ）前記ソリ・ノドステート・デバイスと熱的 に接触するベース部材、及び該ベース部材から外方に伸びる細長い複数の熱伝導 要素を有するヒートシンクと；を備えている。

本発明の他の実施例は廃熱を消散するための装置を含み、該装置は、（ａ）レー ザ光を発生するレーザダイオードと；　（ｂ）前記レーザダイオードと熱的に接 触するベース部材、及び該ベース部材から外方に伸びる細長い複数の熱伝導要素 を有するヒートシンクと；を備えている。

本発明の１実施例は光ボンピングされるレーザを含み、該レーザは、（ａ）光路 に沿ってレーザ光を発生するためのソリ・ノドステート要素手段であって、所定 の波長の光ボンピング放射線を発生するための固体光ボンピング手段、および前 記光ボンピング手段からの前記放射線を受けてレーザ光を放射するための固体レ ーザ材料を有するレーザ部材を含む前記ソリッドステート要素手段と；　（ｂ） 前記光ボンピング手段から熱を取り除くための熱除去手段であって、前記光ボン ピング手段と熱的に接触するベース部材、及び該ベースから外方に伸びる細長い 複数の熱伝導要素を有する前記熱除去手段と；を備えている。

本発明はまたレーザダイオードによって発生される廃熱を消散するための方法を 含み、該方法においては、（ａ）レーザダイオードからレーザ光を発生させると 同時に廃熱を発生させ；　（ｂ）前記レーザダイオードによって発生された廃熱 を、前記レーザダイオードと熱的に接触するベース部材と、該ベース部材から外 方に伸びる細長い複数の熱伝導要素とを含むヒートシンクで、レーザダイオード から離れるように搬送し；　（Ｃ）前記ヒートシンクの前記複数の細長い熱伝導 要素の周囲で空気を循環し、これにより熱を前記熱伝導要素から前記循環する空 気に移動させる。

本発明の目的は、光ボンピングおよび熱除去の両方において高い効率を有する固 体レーザおよびプロセスを提供することである。

本発明の他の目的は、構造が簡単で、組立ておよび保守が容易であり、時間と共 に冷却あるいは作動特性を失わない、ボータプルなかつ耐久性のある光ポンピン グされるレーザを提供することである。

図面の簡単な説明 図面の第１図は本発明の実施例を示す概略図である。

図面の第２図は第１図に示す実施例の斜視図である。

図面の第３図は第２図の３−３線に沿って取った分解斜視図である。

図面の第４図は第２図の４−４線に沿って取った横断面図である。

…衷旦公演差遣盟詳豊星説里 本発明は多くの形態の実施例が可能であるが、本開示が本発明を図示の実施例に 限定することを意図していないという理解のもとに、第１図乃至第４図には本発 明の実施に用いるに通した１つの実施例を示しである。

第１図を参照すると、熱消散装置１０が示されている。この熱消散装置ｌＯは細 長いヒートシンク１２から成り、このヒートシンクは一端部のベース１４と、ベ ース１４の反対側の端部の細長い多数の熱伝導性の部材すなわちビン１６とを有 している。ベース１４は光ボンピング放射線を発生するための固体光ポンピング 手段１８と熱的に接触している。光ボンピング手段１８は、レーザダイオード、 レーザダイオードアレイ、発光ダイオード、発光ダイオードレーザイ及びこれら の等個物とすることができる。光ボンピング放射線を発生するための好ましい固 体光ボンピング手段は、以下に符号１８として参照するレーザダイオードである 。レーザダイオード１８からの光はレンズ２０によりレーザ材料２２の中に案内 される。

レーザダイオード１８の出力放射線はレーザ材料２２の所望の吸収帯と略一致し なければならない。レーザ材料としてのＮｄ：ＹＡＧに対して、この波長は約８ ０８ｎｍであるのが好ましい。もしＮｄ：ＹＡＧの外のレーザ材料を用いる場合 には、適宜な半導体材料、合成物、レーザダイオード構造あるいは作動条件を選 定してレーザダイオードの出力が上記波長基準に合致するようにしなければなら ない。

第１図の光学的にボンピングされるレーザにおいては、レーザダイオード１８は 、レーザ材料２２の吸収ピークが約８０８　ｎｍであるとすると、約８０８ｎｍ の波長の光を放射する。当業者に番よ周知のように、レーザ材料の吸収ピークは サンプＪし毎に変化する。したがって、上記波長の値は例示にすぎない。

ヒートシンク１２はその性質上受動的とすることができる。ヒートシンク１２は また、一定の温度においてレーザダイオード１８の維持を助けてその最適な作動 を保証する、熱電気クーラを含むことができる。作動の間、レーザダイオード１ ８は適宜な電源に取り付けられる。レーザダイオードから伸びて電源に接続され る電線側ま第１図に示されていない。

レーザ材料２２は入力面上に適宜な反射コーティングを有しており１．レーザダ イオード１８からの光によってポンピングされることができる。入力面２４上の 反射コーティングはレーザダイオード１８により発生される光に関して高い透過 性を有してし）るカベ、レーザ材料２２のレーザ作用により生ずる光に関しては 高い反射性を有している。レーザ材料２２はまた出力面２６を有している。

光ボンピング手段１２からレーザ材料２２のレーザ作用によって放射された光は 非線形の光学材料２８を介して出力カブラ３ｏへ通過し、この出力カブラは面３ ２に適宜な反射コーティングを有しており、この反射コーティングはレーザ材料 ２２によって放射される光に関しては高度の反射性を有しているが非線形の光学 材料２Ｂによって生ずる周波数変調された光に対しては十分な透過性を有してい る。非線形の光学材料２８は出力面２９を有している。出力カブラ３０はこれを 通るレーザからの出力放射を平行化する役割を果たすような形状になされている 。しかしながら、非線形の光学材料２８は本発明の実施に必要なものではなく、 単に本発明の好ましい実施例を示すものであることは理解されなければならない 。

レンズ２０はレーザダイオード１８からの光をレーザ材料２２上に合焦させる。

この合焦により、高いボンピング強度およびこれに伴うレーザ材料２２における 高い光子−光子変換効率を生ずる。レンズ２０の代わりに、光を合焦するための 通常のどのような光学的手段も用いることができる。例えば、屈折率分布レンズ 、ボール型レンズ、非球面レンズあるいはこれらを組み合わせたレンズを用いる ことができる。レンズ２０は本発明の実施に必須ではなく、そのような合焦手段 の使用は単に好ましい実施例を示すものである。

選定したレーザダイオード１８により光学的にボンピングされる限り、通常のど のようなレーザ材料２２も用いることができる。適宜なレーザ材料２２としては 、例えば、ネオジムがドープされたイツトリウム・バナジン酸塩（Ｎｄ　：　Ｙ ＶＯ４）　、ネオジム及び／又−ネ７）　（Ｎｄ、Ｃｒ：ＧＳＧＧ）、ツリ’） ム、ホルミウム及び／又はエルビウムがドープされたイツトリウム・アルミニウ ム・ガーネット（Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ　：　ＹＡＧ）　、チタンサファイア（Ｔｉ ：ＡＩｚＯｚ）、及び活性材料によりドープされたガラス質および結晶質の母材 料から構成される材料がある。特に好適な活性材料として、クロム、チタン及び 希土類金属のイオンがある。ネオジムがドープされたＹＡＧは、約８０８ｎｍの 波長を有する光を発生するレーザダイオード１８と組み合わせて用いるのに特に 好適なレーザ材料２２である。この波長の光によってボンピングされると、ネオ ジムがドープされたＹＡＧあるいはレーザ材料は１，０６４ｎｍの波長を有する 光を放射することができる。レーザ材料２２の幾何学的な形状は広い範囲で変え ることができる。

レーザ材料２２は表面２４に反射コーティングを有している。このコーティング の性状は通常のものであり、レーザダイオード１８からの入射ボンピング放射線 を可能なかぎり多く伝達すると共に、放射線すなわちレーザ材料２２のレーザ作 用により生じる光に関して高い反射性を示すように選定される。

８０８ｎｍの波長を有する光によってボンピングされるネオジムがドープされた ＹＡ（、ロッドレーザ材料２２に対しては、入力表面２４のコーティングは、８ ０８ｎｍの光に対して十分に透過性でありかつ１．０６４ｎｍの波長を有する光 に関して高度な反射性を有するものでなければならない。好ましい実施例におい ては、このコーティングは、上述の１，０６４ｎｍの光の第２調波である５３２ ｎｍの波長を有する光にも高度な反射性を有する。入力面２４上のコーティング により形成される波長選択ミラーはレーザ材料２２の入力面に必ずしも位置させ る必要はない。必要であれば、このミラーをレーザダイオード１８とレーザ材料 ２２との間のいずれかの位置に設けることができ、またミラーは適宜な基材上に 設けたコーティングから形成することができる。また、ミラーは適宜な形状のも のとすることができる。

レーザ材料２２のレーザ作用により放射される光ボンピング手段１８からの光は 非線形の光学材料２８と通過する。非線形の光学材料２８は適宜な材料の１又は それ以上の部片から形成することができる。非線形の光学材料２８の結晶構造を レーザ材料２２により発生される入射光に関して適正に配向し、入射光をこの非 線形の光学材料２８を通過させることにより、入射光の周波数を、例えば２倍あ るいは３倍に、変更することができる。例えば、ネオジムがドープされたＹＡＧ レーザ材料２２からの１，０６４ｎｍの波長を存する光を、非線形の光学材料２ ８を通過させることにより、５３２ｎｍの波長を有する光に変換することができ る。非線形の光学材料２８の幾何学的形状は広く変化させることができる。更に 、いかなるそのような非線形の光学要素も、非線形の光学材料２８の温度を制御 する加熱あるいは冷却手段を備えることができ、これにより調波発生器としての 光学材料の性能を最適化することができる。

カリウム・チタニル・リン酸塩は好ましい非線形の光学材料２８である。しかし ながら、ＫＨ，ＰＯ，、Ｌ　１Ｎｂｏ、　、ＫＮｂＯ：ｌ、Ｌｉ１Ｏ＋、ＨＩＯ ，、ＫＢｓ０１４　Ｈ２Ｃ、尿素及びＭ　Ｔ　］　Ｏ（Ｘ　Ｏａ）の化学式を有 しＭかに、ＲｂおよびＴ１から成る群から選択されまたＸがＰおよびＡｓから成 る群から選択される化合物等の、多くの非線形の光学材料を用いることができる 。

非線形の光学材料２８が二次調波発生器として１００％有効なものではないとい う事実の結果として、この要素を通過するレーザ材料２２からの光は、通常は周 波数修正された光および周波数修正されない光が混合されたものとなる。レーザ 材料２２としてのネオジムがドープされたＹＡＧからの１．０６４ｎｍの波長を 有する光の周波数を２倍にする場合には、非線形の光学材料２８を通過した光は １，０６４ｎｍおよび５３２ｎｍの波長の混合体である。この波長の混合体は、 面３２に波長選択性の反射コーティングを有する出力カブラ３０に向げられる。

このコーティングの性状は通常のものであり、５３２ｎｍの光に対して十分な透 過性を有するが１．０６４ｎｍの光に関しては高度な反射性を示すような選択性 を有する。

従って、５３２ｎｍの波長を有する周波数が倍化された光だＧノが出力カブラ３ ０から放射される。

出力カブラ３０は面３２上のコーティングにより形成される波長選択性のミラー を有する。第１図に示す正確な設計とする必要はなく、どのような通常の形態と するごともできる。例えば、波長選択性のミラーは非線形の光学材料２８の面２ ９上のコーティングによって形成することができる。この場合、出力カブラ３０ を省略するか、あるいはレーザ材料２２からの出力放射線すなわちレーザ光を平 行化するかあるいは修正するために設けられる光学的手段によって置き換えるこ とができる。出力カブラ３０はどのような適宜な幾何学的形状とすることができ る。しかしながら、面３２上のコーティングにより形成されるミラーの凹面形状 は、周波数が倍化されずに非線形の光学材料２８に戻りレーザ材料２２を通って 入力面２４上のコーティングに戻る反射光を合焦する利点を有する。上述のよう に、好ましい実施例においては、面２４上のこのコーティングは、レーザ材料２ ２のレーザ作用からの周波数が倍化された光および未修正の光の両方に対して、 高い反射性を有する。従って、面３２上のコーティングにより反射された周波数 未修正の光は非線形の光学材料２日を通過することにより部分的に周波数が倍化 され、これにより生した波長の混合体は入力面２４上のコーティングから反射さ れて非線形の光学材料２８を介して戻され、ここにおいて残りの周波数未修正の 光の一部が周波数倍化され、この周波数倍化された光は出力カプラ３０を通って 放射される。干渉、反射、散乱、吸収あるいは不完全なコーティング等の過程の 結果として起こるロスを除いて、上述の一連の事象を更に繰り返すことにより、 レーザ材料２２のレーザ作用により生じた総ての光は周波数倍化されて出力カプ ラ３０を通って放射される。

第２図を参照すると、本発明の実施に通した光ボンピングされるレーザが概略的 に示されている。搬送可能なレーザヘッドすなわち細長いあるいは管状のハウジ ング４０が本発明の総ての要素を包囲しかつその中に収容している。ハウジング ４０は後方部分４２および前方部分４４を備えている。前方部分４４は孔４５を 有しており、この孔はレーザ光がこれを通って放射されることを許容する。後方 部分４２は、後述するように電源をレーザダイオード、サーミスタ、ＴＥクーラ 、ファン等に接続するための、１２心線のヒロセコネクタ４６を有することがで きる。後方部分４２は縁部５０の近くの周部の回りの３つの通気口４８を有して いる。

ファンすなわちプロワ−５２が後方部分４２により包囲され、収容されかつその 中に嵌着されており、このファンは後方部分４２の内側部分に接着剤で取り付け ることができる。スクリーン５４及び取り付は手段すなわちねじ５６が後方部分 ４２の中のファン５２に取り付けられ、空気が通気口４８を通ってファン５２の 上流に向かって吸入されることを許容している。循環される空気は周囲温度で通 常は通気口４８を通って入りファン５２を通って出る。ファン５２は起動される とヒートシンク５８のビン６６の回りの空気を引いて冷却ピン６６を十分均一に 冷却しビンから熱を消散させる。

後方部分４２から下流側に動くのは金属製のヒートシンク５８である。ヒートシ ンク５８は約２　Ｗ　／　ｃ　ｍ″Ｃよりも大きな熱伝導度を有する金属から構 成するのが好ましい。ヒートシンク５８は約５°Ｃ／Ｗよりも小さな熱伝導度を 有することができ、約１’Ｃ／Ｗより小さいのが好ましく、約０．４°Ｃ／Ｗで あるのが最も好ましい。金属製のヒートシンク５８は円形の平坦な側部６２およ びフランジ６４を有するベース部材６０を備えており、平坦な側部６２の反対側 には熱伝導性の細長い多くの部材すなわちビン６６が取り付けられている。

ビン６６は平坦な側部６２に対して直角である。当業者には理解されるように、 ヒートシンク５８の幾何学的形状は、ベース６０、平坦な側部６２、フランジ６ ４およびビン６６と共に、変形することができる。上述の幾何学的形状は単なる 例である。

ビン６６は、後方部分４２の中の比較的小さな面積の中で、大きな表面積を提供 し、この表面積はビン６６の空気冷却及びビンからの熱のチャネリング及び消散 を改善する。ベース６０の平坦な側部６２は複数の取付孔６８および導管孔７０ を有している。導管孔７０は、ベース６０の付近あるいは下流側で導線すなわち ワイヤを金属製のヒートシンク５日を通し、上流側のコネクタ４６へ通すことを 可能にする。

後方部分４２及びフランジ６４の外径は同一であり、ハウジング４０を完全に組 み立てると一体の装置のように見える。一旦組み立てると、後方部分４２の縁部 ５０をフランジ６４の下側部分６５に接触させ、当接させ、接着剤で接合するこ とができる。従って、ファン５２が作動している時には、空気はファン５２によ って通気口４８を介してのみ吸引される。

第４図を参照すると、複数の熱伝導性の細長い部材すなわちビン６６ば、ａ、ｂ 、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈおよびｉで示された９つのビンのリングを有しており 、後続するリングは先行するリングよりも小さな直径を有している。ビン６６は どのような幾何学的形状とすることもできる。ビン６６は略棒状の形状で均一な 長さおよび直径を有するのが好ましい。ベース６０からビンの先端までの、先端 の面積を除く、外側境界面すなわち周部を含む各ビン６６の表面積のビンの円形 の断面積に対する比は少なくとも２：１である。各ビンの円形の断面積に対する 表面積の比は少なくとも１０＝１であるのが好ましく、少なくとも２５：１であ るのが最も好ましい。

リングｄは各々１０°の角度で離された３６のビンを有している。

リングａから隔置しているのはリングｂであり、このリングは１０’の角度で離 された３５のビンを有している。リングＣおよびｄは各々３０のビンを有してお り、各々のリングにおける各ビンは１２゜の角度で離されている。リングＣはリ ングｄから隔置されている。

リングｅは２０のビンを有し、各ビンは約１８°の角度で離されている。リング ｒば１５のビンを有し、各ビンは２４°の角度で離されている。リングｇは１２ のビンを有し、各ビンは３０°の角度で離されている。リングｈは４つのビンを 有し、各ビンは９０’の角度で離されている。リングｉはベース６０の中心の１ つのビンを有している。しかしながら、各ビンの幾何学的形状、各ビンの円形の 断面積に対する表面積の比、各リングにおけるビンの数及び各リングにおける各 ビンの分離角度は広く変えることができ、第４図に示した特定の構造は本発明の 好ましい実施例を示すものであることは理解されなければならない。

第２図を参照すると、好ましい実施例において、ファン５２は起動されて空気を 通気口４８から上流側へ吸い込み、略均−で聞書されない流れで複数の熱伝導性 のビン６６へ、またこれを通過して、ファン５２へそしてこれを通過させる。こ れにより最も熱い部分であるフランジ６４付近のビン６６の部分に近接する部分 に冷たい空気が最初に引き込まれ、次いで空気はビン６６に沿って上流側へ更に ファン５２に至りこれを通過する。ファン５２はまた空気をビン６６に向は下流 側へ吹き出し、ビンを通過させて通気口４８から出して、空気流およびビン６６ に沿った温度差を最大にするための用いることができる。リングａ、ｂ、ｃ、ｄ 、ｅ、ｆ、ｇ、ｈおよびｉは、空気を各ビンの周囲で均一にかつ流して各ビンを 個々に冷却させ、これによりヒートシンク５８の温度を下げるために設けられて おり、勿論これによりヒートシンクと熱的に接触するレーザダイオード８８を安 定した温度に維持する助けをする。ファン５２は作動の間常時運転される。通気 口４８は、ファン５２が起動されていない場合であっても、空気がビン６６の周 囲を循環して空冷することを許容する。

第３図を参照すると、金属製のヒートシンク５８の下流側には、熱電気的（ＴＥ ）ヒータ／クーラ７２、スプレッダ８０、レーザダイオード８８、及び共振器ハ ウジング１２０がある。第３図に示すように、ＴＥツク−７２は、下側部分と、 熱伝導性で電気絶縁性の高温接点すなわちプレート７４と、その上方の低温接点 すなわちプラントホーム７６と、プラントホーム７６をプレート７４に取り付け る脚部７８とを有している。

ＴＥツク−７２はレーザダイオード８７すなわち固体装置からの廃熱を取り除く ために用いられ、また熱電対、サーミスタ等の通常の温度センサにより監視され る。温度が所望の値から偏向すると、検知回路の中に電圧が発生する。この電圧 の符号が温度が予め設定した零点よりも暖かくなっているのかあるいは冷たくな っているのかを示す。温度移動を訂正するに必要な方向に自動的に電流が供給さ れる。ＴＥツク−７２はヒートシンク５８と熱的に接触して所望の温度を維持す るために熱を消散及び吸収する。

一般的に、熱電気的ターラの中では、異質の特性を有する半導体材料が、電気的 には直列にかつ熱的には平行に接続されており、これにより２つの接点が形成さ れる。

脚部７８は交互に配列されるＮＰ型の半導体材料で形成されており、これらは完 全な分子格子構造（Ｎ型）を完成するに必要とするよりも多くの電子を有するか 、あるいは格子構造（Ｐ型）を完成するには不十分な電子を有するためにそのよ うに呼ばれている。Ｎ型の材料の中の特別な電子およびＰ型の材料の中に残る正 孔は“′キャリア′”と呼ばれ、これらは熱エネルギをプラットホーム７６すな わち低温接点からプレート７４すなわち高温接点へ移動させる働きをする。

第３図を参照すると、プレート７４は、ベリリウム酸化物、アルミナ（Ａ１２０ ３）あるいはホウ素窒化物等のセラミンクス材料から形成することができ、その 優れた熱伝導率のためにベリリウム酸化物が好ましい。プレート７４はプラ・ノ ドホーム７６よりも大きな表面積を有し、そのようなプレート７４は、ブラ・ノ ドホーム７６のすぐ下の領域においてだけではなくプラットホーム７６から離れ た領域（プラットホーム７６のすぐ下ではない）において、ヒートシンク５８に 向かう熱を消散させる。

スプレッダ８０はプラットホーム７６と熱的に直接接触してこれに取り付けられ その上方に位置している。スプレッダ８ｏは熱的及び電気的の両方において伝導 性であり、例えば金メッキを施した銅から形成することができる。スプレッダ８ ０は、頂面８２、底面８４及び傾斜面８５を有している。頂面８２はこれにレー ザダイオードを取り付けるための孔を有している。

特にこれに限定するものではないが、ソニー、モデル・ニス・エル・デ（Ｓｏｎ ｙ　Ｍｏｄｅｌ　５ＬＤ）　３０４Ｂあるいはスペクトラ、ダイオード、ラボラ トリーズ・モデル　ニス・デ・エル（Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｂｏｒ ｉｅｓＭｏｄｅｌ　５ＤＬ）２４６０−Ｃ等の副取付型のパッケージされたレー ザダイオード８７が、第３図に示すように、スプレッダ８０の上方でスプレッダ の頂面に取り付けられている。副取付パッケージ８７は、取付ブロックすなわち ヒートシンク８６及びレーザダイオード８８を有しており、取付手段すなわちね じ９０が取付ブロック８６をスプレッダ８０の頂面８２に取り付けている。当業 者には周知のように、レーザダイオード・パッケージのタイプおよびここに説明 する装置の総ての幾何学的形状は変えることができる。従って、ここに説明する 特定のパンケージ８７は単なる例である。

第３図に示すように、電源は第１及び第２の内側ボート９３．９５に取り付けら れたアース線９４およびプラス線９２によりレーザダイオード８８に供給される 。

第３図に示すように、サーミスタあるいは熱電対９６の如き温度検知手段をプラ ントホーム７６に取り付けて、温度を検出することができる。サーミスタ９６は 、第１の導線９８および第２の導線１００を有しており、これら各々の線は第３ および第４の内側ボスト９９および１０１にそれぞれ電気的に接続されている。

第５および第６の内側ポスト１０２および１０３が、光学的フォトダイオードと 共に用いて第３図に示していないレーザダイオード８８の電源出力を監視するた めに設けられている。内側ボス）９３，９５，９９゜１０１．１０２および１０ ３は、プレート７４の頂面上の導電性の導線によって、第１、第２、第３、第４ 、第５および第６の外側ポスト１０４，１０５，１０６，１０７，１０８及び１ ０９に電気的に接続されている（第２図及び第３図参照）。しかしながら、その ような導線はプレート７４の底部の中あるいは上に設けることができ、またその ような導線をプレート７４の頂面上に設けることは単に好ましい位置を示すもの であることは理解されなければならない。

このように、プレート７４は回路基板としても用いることができる。

第７番目及び第８番目の外側ボスト１１０および１　］、　１ば、プレート７４ の頂面上の導電性の導線により、ＴＥツク−７２に対して電気的に接続されてい て電力をＴＥツク−７２に供給するために用いられる。

図面には示していないが、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７および第 ８番目の外側ボスト１０４．１０５．１０６．１０７．１０Ｂ、１０９．１１０ および１１１は、金属製のヒートシンク５８の少なくとも１つの導管孔７０を通 るワイヤあるいは導線により、。

コネクタ４６に電気的に接続されている。ファン５２の導線もコネクタ４６に接 続される。

レーザダイオード８８を包んでいるのは金属製とすることのできるカバーｉ１２ であるが、このカバーはプラスチック等の他の適宜な材料とすることができる。

カバー１１２は透明な窓１１４を備えており、この窓を介してレーザダイオード ８８からの出力放射線が伝達される。アルゴンあるいは窒素等の不活性ガスをカ バー１１２の中に封入することができる。もしカバー１１２が金属製であれば、 リング１１６上の絶縁層をプレート７４上に設け、内側および外側ポストの間で の電気的な接続部分を短絡させないようにすることができる。プレート７４はこ のプレート７４をヒートシンク５８に接続すなわち取り付けるための複数の孔を 有している。

レーザダイオード８８およびヒートシンク５８の下流側で前方部分４４の中にき っちりと挿入されているのは共鳴ハウジング１２０である。共鳴ハウジング１２ ０は中央孔１２２と取付孔１２４である。取付孔１２４は共鳴ハウジング１２０ をプレート７４を介してヒートシンク５８に取り付けるすなわち捩込むための手 段を提供する。第１図を参照すると、符号１２０で示された破線内の要素は、共 鳴ハウジング１２０の中央孔１２２の中に堅固に保持される。

作動の間、レーザ８８が作動してレーザ材料２２に対して光ポンピング放射線を 生ずると、レーザダイオード８８により廃熱が生ずる。この廃熱はレーザダイオ ード８８から遠ざかるように効率的に搬送される。

熱の流れは材料の接合部で阻害されるために、レーザダイオ・−ドをヒートシン クに導く接合部の数を少なくすると、熱はより効率的に運ばれてそのようなレー ザダイオードから消散される。第２図及び第３図に示すように、熱消散装置１０ は単に４つの接合部１２８．１３０．１３２および１３４を含み、これらの接合 部は熱の運搬を僅かに阻害するだけである。レーザ／取付ブロック接合部１２８ はレーザダイオ−１′８８がパッケージ８７の取付ブロック８６と接する部分で ある。取付ブロック／スプレッダ接合部１３０は取付ブロック８６がスプレッダ ８０の頂面８２と接触する領域である。第３の接合部はスプレッダ／ＴＥクーラ 接続部１３２であり、ここにおいてスプレッダ８０の底面８４とＴＥクーラのプ ラットホーム７６の頂面とが出会うすなわち接する。第４の接続部はＴＥクーラ ／ヒートシンク接合部１３４であり、ここにおいてプレート７４の底面と金属製 のヒートシンク５８の平坦な側部６２が出会うすなわち接する。

上述の各りの接合部の幾何学的形状および表面積は、隣接する要素に熱的に接触 しかつ隣接する要素の形状および表面積に緊密に合致する。従って、レーザ／取 付ブロック接続部１２８の形状はその接合部１２８におけるレーザダイオード８ ８および取付ブロック８６の幾何学的形状に正確に合致しかつ略同−である。同 様に、取付プロング／スプレッダ接合部１３０の矩形の形状および表面積は、取 付ブロンク８６及びスプレッダ８０の頂面８２の幾何学的形状および表面積に正 確に合致している。同様にして、矩形のスプレッダ／ＴＥクーラ接合部１３２は スプレッダ８０の底面８４及びＴＥクーラのプラットホーム７６の幾何学的形状 および表面積に正確に合致し、またＴＥクーラ／ヒートシンク接合部１３４の環 状の形状及び表面積はプレート７４およびヒートシンク５８の平坦な側部６２の 幾何学的形状及び表面積に正確に合致する。しかしながら、隣接する要素及び接 合部の表面積及び形状が正確に合致して熱の消散を最大限にするものである限り 、各接合部に対していかなる幾何学的形状をも採用することができることは理解 されなければならない。

廃熱はレーザダイオード８８から接合部１２８．１３０．１３２および１３４を 通って上流側へ流れて拡散しヒートシンク５８に至る。後続する各々の接合部の 表面積は先行する接合部の表面積よりも大きく、接合部１２８．１３０．１３２ および１３４からヒートシンク５８への熱の拡散を向上しかつ均一にする。

廃熱の除去効率は更に、複数の細長い熱伝導性の部材すなわちピン６６の大きな 表面積に依存する。ピン６６の数が多ければ、ヒートシンク５日の空冷を最大に してヒートシンクの空冷のためにハウジング４０内の比較的小さな容積を用いる ことができる。そのような緻密な小さな容積は、ハウジング４０（すなわちレー ザヘッド）をポータプルなものとし、軽量で耐久性のあるものとすることができ る。

リングａ−ｉを有するピンのデザインは、ファン５２が作動していてもいなくて も、空気を効率的に均一に循環させることができる。

ファン５２が作動されると、空気は略均質にかつピン６６の回りで均一に循環さ れる。リングａ−ｉは、ピン６６を通る空気の偏向を最大にするようなパターン で、空気をピン６６を通して流しかつ偏向するように設計される。より詳細には 、ピン６６は、空気が通気口４８を介して吸入され、リングａからリングｉへ内 方にピンを通過し、その後上流側へファン５２を通過するような形状になされる 。

ピン６６のデザインは、効率的かつ効果的な熱消散のための、略完全な、十分で かつ事実上均一な空気の分布および循環を提供する。

ハウジング４０の前方部分４４はフランジ６４と同一の外径を有しており、これ により、ハウジング３０が完全に組み立てられると、ハウジングは一体のボーク プルなレーザヘッドのように見え、このレーザヘッドはコネクタ４６に接続され るケーブルを介する電源によって励起される。

図示しない他の実施例においては、本発明のレーザダイオード１８は、特に限定 するものではないが、赤外線検知器あるいは電荷結合素子等のソリッドステート すなわち半導体デバイスで置き換えることができる。半導体という用語は一般に ソリッドステートという用語と同義であり、ここにおいては電流が電子あるいは 正孔により搬送される材料を指し、また材料の正常に充填された価電子帯におけ る電子と材料の伝導帯における電子との間のエネルギ差である禁止帯の幅によっ て特徴付けられる。そのような材料は比較的低い電気伝導度を有し、この低い電 気伝導度は電気的に活性な不純物でドープすることにより数桁大きくすることが できる。一般的な半導体として、シリコン、ゲルマニウム、及びＩｎＡｓ、Ｉｎ Ｐ、ＧａＰ。

ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、Ａ１ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａ ＰおよびＩｎＧａＡＩＰ等の、周期律表の■族および■族の要素の種々の組み合 わせがある。より一般的な幾つかの半導体の表およびその一般的な性質が、フロ リダ州、ポカ・レイトン（Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ）のシ・アール・シ・プレス・ インコーホレーテッド（Ｃ，ＲＣＰｒｅｓｓ、　Ｔｎｃ、　）　　のハンドブッ ク・オブ・ケミストリー・アンド・フイブラス（Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｃｈ ｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、６８版（１９８７−１９８８）の Ｅ−１０２乃至Ｅ−１０５頁に記載されている。そのような例において、廃熱を 消散させるための装置が開示されており、その装置は、（ａ）ソリッドステート ・デバイス、及び（ｂ）ヒートシンク１２を備えており、このヒー　トシンクは ソリッドステート・デバイスと熱的に接触するベース部材１４と、この−・−ス 部材１４から外方に伸びる細長い複数の熱伝導要素６６とを有している。

本発明の１つの実施例のみを図示して説明したが、上記実施例に対する種々の変 更および置換並びに再構成および組み合わせが、本発明の新規な性質および技術 的範囲を逸脱することなく、当業者により可能であることは理解されるべきであ る。

二＝巨コ界ｌ− 国際調査報告

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）ソリッドステート・デバイスと；（ｂ）前記ソリッドステート・デバ イスと熱的に接触するベース部材、及び該ベース部材から外方に伸びる略ロッド 形状の複数の熱伝導要素を有するヒートシンクと；を備えて成る装置。
2. ２．請求項１の装置において、各々の前記要素の長さに沿う表面積のその円形の 断面積に対する比が少なくとも２：１である前記装置。
3. ３．請求項２の装置において、前記ヒートシンクが廃熱を前記ソリッドステート ・デバイスから離れるように移動するための熟電気的なヒータ／クーラ手段を有 し、また該熱電気的なヒータ／クーラ手段が前記ソリッドステート・デバイスと ヒートシンクの前記べース部材との間にサンドイッチされたプレートを有する前 記装置。
4. ４．請求項３の装置において、前記プレートが熟伝導性で電気絶縁性の材料から 形成されている前記装置。
5. ５．（ａ）レーザ光を発生するレーザダイオードと；（ｂ）前記レーザダイオー ドと熱的に接触するベース部材、及び該ベース部材から外方に伸びる細長い複数 の熱調整要素を有するヒートシンクと； （ｃ）前記レーザダイオードおよび前記ヒートシンクを堅固に収容するためのハ ウジング手段であって、前記ヒートシンクの近くに設けられて空気か前記ヒート シンクの前記細長い熱伝導要素の周囲で自由に動くことを許容する通気口を有す る後方部分と、レーザ光が通過して伝達されることを許容する開口を有する前方 部分と、を含む前記ハウジング手段と；を備えて成るレーザダイオード装置。
6. ６．請求項５の装置において、前記ヒートシンクの前記複数の細長い熱伝導要素 の周囲で空気を循環させるための循環手段を更に備えること前記装置。
7. ７．請求項６の装置において、前記ハウジングが、前記循環手段が前記ヒートシ ンクの前記複数の細長い熱伝導要素に対して略均一にかつそれらの周囲で空気を 循環させることを可能とするように、前記循環手段を略収容する前記装置。
8. ８．請求項５の装置において、前記ヒートシンクがプレートを有し、このプレー トが前記レーザダイオードと前記ヒートシンクのベース部材との間にサンドイッ チされて前記レーザダイオードおよび前記ヒートシンクの間の確実な熱界面を提 供する前記装置。
9. ９．請求項８の装置において、前記プレートが熱導電性で電気絶縁性の材料から 形成される前記装置。
10. １０．（ａ）レーザ光を発生するためのソリッドステート要素手段であって、光 ポンピング放射線を発生するための固体光ポンピング手段、及び前記光ポンピン グ手段からの前記放射線を受けてレーザ光を放射するための固体レーザ材料を有 するレーザ部材を含む前記ソリッドステート要素手段と； （ｂ）前記光ポンピング手段から熱を取り除くための熱除去手段であって、前記 光ポンピング手段と熱的に接触するベース部材、及び該ベースから外方に伸びる 複数の略ロッド形状の熱伝導要素を有する前記熱除去手段と；を備えて成る光ポ ンピングレーザ。
11. １１．請求項１０の光ポンピングレーザであって、前記熱除去手段が約５℃／Ｗ よりも小さな熱伝導度を有する前記光ポンピングレーザ。
12. １２．請求項１０の光ポンピングレーザであって、前記熱除去手段が、空気を前 記複数の細長い熱伝導要素の周囲で循環させるための循環手段を更に備える前記 光ポンピングレーザ。
13. １３．請求項１０の光ポンピングレーザであって、前記固体光ポンピング手段が 、レーザダイオード、レーザダイオードアレイ、発光ダイオードおよび発光ダイ オードアレイから成る群から選択される少なくとも１つの部材を備える前記光ポ ンピングレーザ。
14. １４．請求項１０の光ポンピングレーザであって、前記固体光ポンピング手段が レーザダイオードから成る前記光ポンピングレーザ。
15. １５．請求項１０の光ポンピングレーザであって、前記固体光ポンピング手段か らの光を前記レーザ材料に合焦するための合焦手段と、前記レーザ材料からのレ ーザ光の周波数を変更するための非線形の光学部材とを更に備える光ポンピング レーザ。
16. １６．レーザダイオードによって発生される廃熱を消散するための方法であって 、 （ａ）レーザダイオードからレーザ光を発生させると同時に廃熱を発生させ； （ｂ）前記レーザダイオードによって発生された廃熱を、前記レーザダイオード と熱的に接触するベース部材と、該ベース部材から外方に伸びる略ロッド形状の 複数の熱伝導要素とを含むヒートシンクで、レーザダイオードから離れるように 搬送し；（ｃ）前記ヒートシンクの前記複数の略ロッド形状の熱伝導要素の周囲 で空気を循環し、これにより熱を前記熱伝導要素から前記循環する空気に移動さ せる；前記方法。
17. １７．請求項１６のレーザダイオードにより発生される廃熱を消散するための方 法であって、前記循環する空気が約周囲温度で前記略ロッド形状の熱伝導要素に 供給される前記方法。