JPWO2009116134A1 - レーザ光源モジュール - Google Patents

Abstract

固体レーザ素子と、励起光源と、波長変換素子とが搭載されたヒートシンクと、ヒートシンクを支持するステムとを備えたレーザ光源モジュールを構成するにあたり、ヒートシンクを３つのブロック、すなわち固体レーザ素子用のレーザ発振部が上面に搭載された第１ブロックと、レーザ発振部用の励起光を出射する半導体レーザ素子と第１温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第１ヒータが搭載された第２ブロックと、レーザ発振部が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子と第２温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第２ヒータが搭載された第３ブロックとに分割し、第２ブロックのみを該第２ブロックの側面または底面でステムに固定し、第２ブロックの他の側面に第１ブロックを固定し、第１ブロックの側面に第３ブロックを固定することにより、小型化および各素子の位置精度の向上を図る。

Description

この発明は、基本波レーザ光を発振する固体レーザと該固体レーザから発振された基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とを備えたレーザ光源モジュールに関するものである。

近年では、周期分極反転（Periodically Poled）構造を有する非線形光学（ＮＬＯ：Non-Linear Optical）結晶での擬似位相整合を利用したＮＬＯ波長変換素子により、高効率で波長変換することが可能になっている。例えば、固体レーザ素子から発振された赤外レーザ光をＮＬＯ波長変換素子により波長変換して第２高調波を発生させることにより、可視レーザ光を発振するレーザ光源モジュールを得ることができる。このとき、固体レーザ素子の励起光源としては、例えば半導体レーザ素子が用いられる。

上記のＮＬＯ波長変換素子は、位相整合条件を満たしたときに効率良く波長変換を行う。例えば第２高調波の発生時には、入射した基本波レーザ光により強制励起された非線形分極波の位相速度と非線形分極により発生した第２高調波の位相速度とが一致したときに、素子内の各位置で発生した光波が同一位相となって各々がコヒーレント加算され、高い変換効率が得られる。ただし、ＮＬＯ波長変換素子は温度依存性を有しており、動作温度に応じて波長分散特性が変化するので、位相整合条件が崩れるのを防止するためには、当該ＮＬＯ波長変換素子の動作温度を一定に保つ必要がある。

同様に、半導体レーザ素子の出力光強度および発振波長にも温度依存性がある。最適動作温度よりも高温の環境下では、半導体レーザ素子からの発振波長が長くなる。例えばバナジン酸イットリウム（ＹＶＯ₄）のように吸収スペクトルが急峻なレーザ媒質を用いた固体レーザ素子の励起光源として半導体レーザを用いた場合、半導体レーザ素子の発振波長の変化は固体レーザ素子の出力を低下させる要因となる。

したがって、半導体レーザ素子と固体レーザとＮＬＯ波長変換素子とを用いたレーザ光源モジュールの光出力を高めるうえからは、半導体レーザ素子およびＮＬＯ波長変換素子の各々を所定の温度に保つことが望まれる。勿論、半導体レーザ発振器を１つの素子の中に複数並べた半導体レーザアレイを用いて固体レーザ素子を励起すれば、レーザ光源モジュールの光出力を高めることができるが、この場合でも、当該レーザ光源モジュールの光出を高めるという観点からは、半導体レーザアレイ全体を均一かつ一定の温度に保つと共にＮＬＯ波長変換素子全体を均一かつ一定の温度に保つことが望まれる。

例えば特許文献１に記載された高調波発生装置では、１つの基板上に２つのペルチェ素子を配置し、一方のペルチェ素子上には半導体レーザ素子を搭載し、他方のペルチェ素子上には保持部材に固定されたＮＬＯ波長変換素子を搭載して、個々のペルチェ素子により半導体レーザ素子およびＮＬＯ波長変換素子それぞれの温度を別個に制御している。半導体レーザ素子の温度制御は、当該半導体レーザ素子に配置されたサーミスタの測定温度に応じて行われ、ＮＬＯ波長変換素子の温度制御は、当該ＮＬＯ波長変換素子が固定された保持部材に配置されたサーミスタの測定温度に応じて行われる。

また、特許文献２には、モジュールのケース外側にペルチェ素子やフィン等の冷却手段を配置し、ケースの内側に２つの熱伝達手段を配置して一方の熱伝達手段上にヒータを介して半導体レーザ素子を搭載し、他方の熱伝達手段上にヒータを介して電界吸収型半導体光変調器素子を搭載した半導体レーザ装置が記載されている。この半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子に直接取り付けた温度センサの検知温度に応じて半導体レーザ素子の温度制御が行われ、電界吸収型半導体光変調器素子に直接取り付けた温度センサの検知温度に応じて電界吸収型光変調器素子の温度制御が行われる。
特開平７−４３７５９号公報 特開２０００−２２８５５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高調波発生装置や特許文献２に記載された半導体レーザ装置では、装置内に冷却手段が設けられるので小型化を図り難い。また半導体レーザ素子と波長変換素子とを同一の基板ないし部材に配置するので、これらの素子の位置精度、特に上記基材ないし部材の厚さ方向での位置精度を高め難い。

例えば、励起光を発振する半導体レーザ素子と、基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子と、基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とを用いてレーザ光源モジュールを構成するにあたってこれらの素子の位置精度が低いと、レーザ光源モジュールの光出力が低下する。特に、固体レーザ素子のレーザ発振部およびＮＬＯ波長変換素子の各々として導波路型のものを用いたタイプのレーザ光源モジュールや、励起光源として半導体レーザアレイを用いたタイプのレーザ光源モジュールでの光出力を向上させるうえからは、上記の位置精度を高めて励起光の接続損失および基本波レーザ光の接続損失を抑えることが望まれる。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ素子と固体レーザ素子と波長変換素子とを備え、小型で各素子の位置精度が高いものを得易いレーザ光源モジュールを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するこの発明のレーザ光源モジュールは、基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子と、固体レーザ素子を励起する励起光源と、固体レーザ素子が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とが搭載されたヒートシンクと、ヒートシンクを支持するステムとを備え、ヒートシンクは、基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子用のレーザ発振部が上面に搭載された第１ブロックと、レーザ発振部用の励起光を出射する半導体レーザ素子と第１温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第１ヒータが搭載された第２ブロックと、レーザ発振部が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子と第２温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第２ヒータが搭載された第３ブロックとの３つのブロックに分割されており、第２ブロックのみが該第２ブロックの側面または底面でステムに固定され、第２ブロックの他の側面に第１ブロックが固定され、第１ブロックの側面に第３ブロックが固定されていることを特徴とするものである。

この発明のレーザ光源モジュールは、固体レーザ素子用のレーザ発振部が搭載された第１ブロック、半導体レーザ素子が搭載された第２ブロック、および波長変換素子が搭載された第３ブロックのうちの第２ブロックのみがステムに固定されているので、第２ブロックに対する他のブロックの相対位置を調整し易い。このため、固体レーザ素子、半導体レーザ素子、および波長変換素子それぞれの位置精度が高いものを得易い。

また、第２ブロックおよび第３ブロックが第１ヒータまたは第２ヒータを有しており、かつ第１〜第３ブロックの各々がヒートシンクを構成するので、モジュール内に冷却素子を配置しなくても、モジュールの外部に配置した冷却装置と第１〜第２ヒータとにより半導体レーザ素子、レーザ発振部、および波長変換素子それぞれの温度を制御することができる。したがって、この発明によれば、半導体レーザ素子と固体レーザ素子と波長変換素子とを備え、小型で各素子の位置精度が高いレーザ光源モジュールを得易くなる。

図１は、この発明のレーザ光源モジュールの一例を概略的に示す側面図である。 図２は、図１に示したレーザ光源モジュールを概略的に示す平面図である。 図３は、図１および図２に示したレーザ光源モジュールの使用形態の一例を概略的に示す斜視図である。 図４は、図１および図２に示したレーザ光源モジュールを構成する各部材と図３に示した冷却装置との間の熱輸送経路を示す概略図である。 図５は、この発明のレーザ光源モジュールのうちで第３ブロックの下面に第２ヒータが搭載されたものの一例を概略的に示す側面図である。 図６は、図５に示したレーザ光源モジュールを概略的に示す平面図である。

符号の説明

１ 第１ブロック
１ａ 第１ブロックの上面
３ レーザ発振部
１０ 第２ブロック
１０ａ 第２ブロックの上面
１０ｂ 第２ブロックの下面
１２ サブマウント
１３ 励起光源（半導体レーザ素子）
１４ 第１温度センサ
１５ 第１ヒータ
２０，１２０ 第３ブロック
２０ａ，１２０ａ 第３ブロックの上面
１２０ｂ 第３ブロックの下面
２２，１２２ 基板
２３ 熱拡散板
２４ 波長変換素子
２４ａ 光導波路（波長変換部）
２５ 第２温度センサ
２６ａ，２６ｂ，１２６ 第２ヒータ
３０，１３０ ヒートシンク
４０ ステム
５０，１５０ レーザ光源モジュール
６０ 冷却装置（ペルチェ素子）
ＳＬ 固体レーザ素子
ＬＢ レーザ光

以下、この発明のレーザ光源モジュールの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明のレーザ光源モジュールの一例を概略的に示す側面図であり、図２は、図１に示したレーザ光源モジュールを概略的に示す平面図である。これらの図に示すレーザ光源モジュール５０は、第１ブロック１、第２ブロック１０、および第３ブロック２０の３つのブロックに分割されたヒートシンク３０と、ヒートシンク３０を支持するステム４０とを備えている。

上記の第１ブロック１の上面１ａにはサブマウント２が接合材（図示せず）により固定されており、サブマウント２上にはレーザ発振部３が接合材（図示せず）により固定されている。上記の各接合材としては、はんだ、導電性接着剤、非導電性接着剤等、所望のものが適宜用いられる（以下同様）。第１ブロック１は、レーザ発振部３の光軸と直交する２つの側面を有する平板状の部材であり、例えば銅や銅タングステン等の銅系材料のように熱伝導率の高い金属材料や合金材料により作製される。

第１ブロック１に固定されているサブマウント２は、レーザ発振部３に所定パターンの熱分布を形成し、該熱分布によりレンズ効果を発現させてレーザ発振部３内での光拡散を抑制する。そのために、当該サブマウント２としては、レーザ発振部３側に複数の接合面を有する櫛形状のものが用いられる。

レーザ発振部３は固体レーザ素子に用いられる導波路型のものあり、基本波レーザ光を発振する複数の光導波路を有している。図１には、１つの光導波路３ａが示されている。レーザ光源モジュール５０が緑色のレーザ光を発振するものである場合には、例えばＮｄ：ＹＶＯ₃（ネオジウムドープバナジン酸イットリウム）等のレーザ媒質により各光導波路が形成される。このレーザ発振部３は、後述するレーザ共振器と共に固体レーザ素子ＳＬを構成する。

第２ブロック１０の上面１０ａにはサブマウント１２が接合材（図示せず）により固定されており、サブマウント１２上には半導体レーザ素子１３と第１温度センサ１４とが接合材（図示せず）により固定されて搭載されている。また、第２ブロック１０の下面１０ｂには、第１ヒータ１５（図１参照）が接合材（図示せず）により固定されて搭載されている。当該第２ブロック１０は、第１ブロック１と同様に熱伝導率の高い金属材料や合金材料により作製された平板状の部材であり、半導体レーザ素子１３の光軸と直交する２つの側面を有している。

第２ブロック１０に固定されているサブマウント１２は電気絶縁材料により作製され、半導体レーザ素子１３の動作時に第２ブロック１０と半導体レーザ素子１３との線膨張係数差に起因してこれら第２ブロック１０と半導体レーザ素子１３との間に生じる熱応力を緩和する。このサブマウント１２には、半導体レーザ素子１３および温度センサ１４に接続された駆動回路パターン（図示せず）が形成されている。

半導体レーザ素子１３は複数個の半導体レーザ発振器を有する半導体レーザアレイであり、図示を省略した外部回路に接続されて、固体レーザ素子ＳＬの励起光を出射する励起光源として機能する。レーザ発振部３での各光導波路がＮｄ：ＹＶＯ₃により形成されている場合、上記の半導体レーザ発振器の各々としては、例えば波長８００ｎｍ帯の近赤外レーザ光を発振するものが用いられる。第１温度センサ１４としては、例えばサーミスタが用いられる。第１温度センサ１４は半導体レーザ素子１３近傍の温度を検知し、第１ヒータ１５は第２ブロック１０およびサブマウント１２を介して半導体レーザ素子１３を加温する。これら半導体レーザ素子１３、第１温度センサ１４、および第１ヒータ１５の各々は、レーザ光源モジュール５０の実装時に外部回路に接続される。

第３ブロック２０の上面２０ａには基板２２が接合材（図示せず）により固定されており、基板２２上には均熱板２３が接合材（図示せず）により固定されており、均熱板２３上には波長変換素子２４が接合材（図示せず）により固定されて搭載されている。また、基板２２上には、第２温度センサ２５と２個の第２ヒータ２６ａ，２６ｂ（第２ヒータ２６ｂについては図２参照）も接合材（図示せず）により固定されて搭載されている。当該第３ブロック２０は、第１ブロック１と同様に熱伝導率の高い金属材料や合金材料により作製された平板状の部材であり、波長変換素子２４の光軸と直交する２つの側面を有している。

第３ブロック２０に固定されている基板２２は、ガラスやセラミックス等のように熱伝導率が比較的高い電気絶縁材料により形成された平板状の部材であり、当該基板２２には第２温度センサ２５の駆動回路パターンおよび各第２ヒータ２６ａ，２６ｂの駆動回路パターンがそれぞれ形成されている。均熱板２３は、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導性が良好な金属材料ないし合金材料により形成されて、波長変換素子２４での温度分布を均一化する。

波長変換素子２４は、例えば周期分極反転構造を有する非線形光学結晶（ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等）により形成された複数の光導波路を有する導波路型のものであり、上記の各光導波路が波長変換部として機能する。図１には、１つの光導波路２４ａが示されている。波長変換素子２４での波長変換効率には温度依存性があるので、レーザ光源モジュール５０の動作時には当該波長変換素子２４が所定の温度に保持される。第２温度センサ２５は波長変換素子２４近傍の温度を検知し、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂは基板２２および均熱板２３を介して波長変換素子２４を加温する。第２温度センサ２５としては例えばサーミスタが用いられ、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂは例えば電気抵抗体ペーストを塗工し、焼成することにより形成される。これら第２温度センサ２５および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂの各々は、レーザ光源モジュール５０の実装時に外部回路に接続される。

ステム４０は、上述した第１〜第３ブロック１，１０，２０を支持する。レーザ光源モジュール５０では、ステム４０の主面４０ａ上に第２ブロック１０のみが接合材（図示せず）により固定されており、第１ブロック１は第２ブロック１０に、また第３ブロック２０は第１ブロック１に固定されている。

具体的には、各々のブロック１，１０，２０が上面１ａ，１１ａ，２１ａを同じ方向に向け、半導体レーザ素子１３から出射した励起光がレーザ発振部３の光導波路に入射し、かつレーザ発振部３で発振された基本波レーザ光が波長変換素子２４の光導波路に入射するように固定されている。第２ブロック１０の側面のうちで半導体レーザ素子１３の光軸と直交する２つの側面の一方が接合材（図示せず）によりステム４０の主面４０ａに接合され、他方の側面に第１ブロック１の側面のうちでレーザ発振部３の光軸と直交する２つの側面の一方が接合材（図示せず）により接合されている。また、第１ブロック１の側面のうちでレーザ発振部３の光軸と直交する２つの側面の他方には、第３ブロック２０の側面のうちで波長変換素子２４の光軸と直交する２つの側面の一方が接合材（図示せず）固定されている。半導体レーザ素子１３とレーザ発振部３との間には例えば数十μｍ程度の間隙が設けられ、レーザ発振部３と波長変換素子２４との間にも例えば数十μｍ程度の間隙が設けられている。

なお、レーザ発振部３の光軸とは、当該レーザ発振部３に形成されている各光導波路３ａの光軸を意味し、波長変換素子２４の光軸とは、当該波長変換素子２４に形成されている各光導波路２４ａの光軸を意味する。半導体レーザ素子１３の光出射端はレーザ発振部３側にあり、レーザ発振部３の光出射端は波長変換素子２４側にある。

このような構造を有するレーザ光源モジュール５０では、レーザ発振部３での各光導波路３ａの光入射端および波長変換素子２４での各光導波路２４ａの光入射端に共振器ミラーとして機能する光学薄膜（図示せず）が設けられており、これらの光学薄膜によりレーザ共振器が形成される。このレーザ共振器とレーザ発振部３での各光導波路とにより固体レーザ素子ＳＬが構成される。半導体レーザ素子１３中の各レーザ発振器により励起光が発振されると、これらの励起光がレーザ発振部３の各光導波路３ａに入射して、個々の光導波路３ａから基本波レーザ光が発振される。これらの基本波レーザ光はレーザ共振器内で反射を繰り返して増幅され、個々の基本波レーザ光の一部が波長変換素子２４の所定の光導波路２４ａに入射して波長変換され、例えば第２高調波となって波長変換素子２４から出射する。図２においては、レーザ光源モジュール５０から発振されるレーザ光ＬＢを二点鎖線で描いてある。

勿論、レーザ光源モジュール５０の使用時には、半導体レーザ素子１３、第１ヒータ１５、および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂが外部回路に接続される。第１温度センサ１４および第２温度センサ２５の各々としてサーミスタを用いた場合には、これら第１温度センサ１４および第２温度センサ２５の各々も外部回路に接続される。そのため、ステム４０には所定数のリードピンが装着され、これらのリードピンとサブマウント１２に形成されている駆動回路パターン、第１ヒータ１５、基板２２に形成されている駆動回路パターン、および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂとが接続される。そして、ステム４０の外部にはペルチェ素子、ヒートパイプ、ファン等の冷却装置が配置される。

図３は、図１および図２に示したレーザ光源モジュールの使用形態の一例を概略的に示す斜視図である。図示の例では、ステム４０に４本のリードピンＬＰ₁，ＬＰ₂，ＬＰ₃，ＬＰ₄が装着され、これらのリードピンＬＰ₁，ＬＰ₂，ＬＰ₃，ＬＰ₄とサブマウント１２に形成されている駆動回路パターン（図示せず）の所定箇所とが金属リボンＲ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄により互いに接続されている。また、上記の駆動回路パターンと半導体レーザ素子１３とが複数本の金属細線Ｗにより互いに接続されている。

図示を省略しているが、ステム４０には上記のリードピンＬＰ₁，ＬＰ₂，ＬＰ₃，ＬＰ₄以外にも複数本のリードピンが装着されており、これらのリードピンに第１温度センサ１４の駆動回路パターン（図示せず）、第１ヒータ１５（図１参照）、第２温度センサ２５の駆動回路パターン（図示せず）、および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂの駆動回路パターン（図示せず）が接続されている。

また、ステム４０の裏面４０ｂ、すなわち第２ブロック１０が固定されている主面４０ａとは反対側の主面には、冷却装置としてペルチェ素子６０が固定されており、ペルチェ素子６０の近傍には該ペルチェ素子６０の素子温度を検知する第３温度センサ６５が配置されている。ステム４０に装着されている各リードピン、ペルチェ素子６０、および第３温度センサ６５は、それぞれ、所定の外部回路（図示せず）に接続される。レーザ光源モジュール５０は、ペルチェ素子６０によりステム４０およびヒートシンク３０が冷却され、第１ヒータ１５により半導体レーザ素子１３が加温され、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂにより波長変換素子２４が加温された状態で動作して、前述のレーザ光ＬＢ（図２参照）を発振する。

このようにして使用されるレーザ光源モジュール５０では、第１ブロック１、第２ブロック１０、および第３ブロック２０の計３つのブロックのうちの第２ブロック１０のみがステム４０に固定されるので、各ブロック１，１０，２０をステム４０に直接固定する場合に比べ、第２ブロック１０に対する第１ブロック１の相対位置、および第２ブロック１０に対する第３ブロック２０の相対位置をそれぞれ調整し易い。また、温度変化に起因する各ブロック１，１０，２０間の相対位置のずれを抑え易い。これらのことから、レーザ光源モジュール５０では、レーザ発振部３、半導体レーザ素子１３、および波長変換素子２４それぞれの位置精度が高く、これらの光軸のアライメント精度が高いものを得易い。

また、第２ブロック１０および第３ブロック２０が第１ヒータ１５または第２ヒータ２６ａ，２６ｂを有しており、第１〜第３ブロック１，１０，２０の各々がヒートシンク３０を構成しているので、モジュール内に冷却装置を配置しなくても、第１ヒータ１５、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂ、およびモジュールの外部に配置した冷却装置（ペルチェ素子６０）により、レーザ発振部３、半導体レーザ素子１３、および波長変換素子２４それぞれの温度を制御することができる。したがって、当該レーザ光源モジュール５０では小型化を図ることも容易である。

そして、第１ヒータ１５以外の部品が第１〜第３ブロック１，１０，２０の上面１ａ，１０ａ，２０ａに配置されることから、レーザ光源モジュール５０を製造する際には段取り替えの手間が少なくて済み、かつ部品間の配線作業やブロック間の配線作業が容易である。このため、当該レーザ光源モジュール５０ではその生産性を高め易い。

レーザ光源モジュール５０の光出力を高めるという観点からは、半導体レーザ素子１３および波長変換素子２４の素子温度をそれぞれ最適動作温度にして当該レーザ光源モジュール５０を動作させることが望ましい。半導体レーザ素子１３の最適動作温度は、当該半導体レーザ素子１３の発振波長や出力強度等により予め略固定されており、変更可能な余地は少ないが、波長変換素子２４の最適動作温度は、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶により当該波長変換素子２４の波長変換部（各光導波路２４ａ；図１参照）が形成されていることから、上記の周期分極反転構造を適宜設計することにより比較的自由に変更することができる。

したがって、レーザ光源モジュール５０においては、当該レーザ光源モジュール５０を構成する各部材とペルチェ素子６０等の冷却装置との間の熱輸送経路での熱抵抗を考慮して波長変換素子２４の最適動作温度を選定し、該最適動作温度の波長変換素子２４を用いることが好ましい。以下、図４を参照して、波長変換素子２４の最適動作温度の選定方法について具体的に説明する。

図４は、レーザ光源モジュールを構成する各部材と図３に示した冷却装置（ペルチェ素子）との間の熱輸送経路を示す概略図である。同図においては、レーザ光源モジュール５０で用いられている各接合材の熱抵抗を省略している。図４に示す構成要素のうちで図３に示した構成要素と共通するものについては、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。なお、図４中の参照符号「Ｒ₁」は第１ブロック１の熱抵抗を示し、「Ｒ₁₀」は第２ブロック１０の熱抵抗を示し、「Ｒ₂₀」は第３ブロック２０の熱抵抗を示し、「Ｒ₄₀」はステム４０の熱抵抗を示す。また、参照符号「Ｒ₁₂」はサブマウント１２の熱抵抗を示し、「Ｒ₂₂」は基板２２の熱抵抗を示し、「Ｒ₂₃」は均熱板２３の熱抵抗を示す。

図４から明らかなように、レーザ光源モジュール５０で用いられている各接合材の熱抵抗を無視した場合、第１ヒータ１５が動作していないときでの半導体レーザ素子１３からペルチェ素子６０までの熱輸送経路の熱抵抗値Ｒａは、下式（Ｉ）により表すことができる。このとき、半導体レーザ素子１３の発熱量をＰａ、ペルチェ素子６０の素子温度をＴｃとすれば、半導体レーザ素子１の素子温度Ｔａは下式（II）により表すことができる。
Ｒａ［Ｋ／Ｗ］＝Ｒ₁₂＋Ｒ₁₀＋Ｒ₄₀ ……（Ｉ)
Ｔａ［℃］＝Ｔｃ＋Ｒａ×Ｐａ ……（II）

一方、レーザ光源モジュール５０で用いられている各接合材の熱抵抗を無視した場合、第１ヒータ１５および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂがそれぞれ動作していないときでの波長変換素子２４からペルチェ素子６０までの熱輸送経路の熱抵抗値Ｒｂは、下式（III）により表すことができる。このとき、波長変換素子２４の発熱量をＰｂ、ペルチェ素子６０の素子温度をＴｃとすれば、波長変換素子２４の素子温度Ｔｂは下式（IV）により表すことができる。
Ｒｂ［Ｋ／Ｗ］＝Ｒ₂₃＋Ｒ₂₂＋Ｒ₂₀＋Ｒ₁＋Ｒ₁₀＋Ｒ₄₀ ……（III）
Ｔｂ［℃］＝Ｔｃ＋Ｒｂ×Ｐｂ ……（IV）

上記（II）式および（IV）式から、第１ヒータ１５および各第２ヒータ２６ａ，２６ｂがそれぞれ動作していないときの波長変換素子２４の素子温度Ｔｂは、外気温によらず下式（Ｖ）で表すことができる。
Ｔｂ［℃］＝Ｔａ−Ｒａ×Ｐａ＋Ｒｂ×Ｐｂ ……（Ｖ）

したがって、上記（Ｖ）式での「Ｔａ」を半導体レーザ素子１３の最適動作温度としたときに当該式（Ｖ）により求まる「Ｔｂ」の値の近傍で、該「Ｔｂ」よりも低い温度となるように波長変換素子２４の位相整合温度、すなわち最適動作温度を選定して該最適動作温度の波長変換素子２４をレーザ光源モジュール５０に用いれば、波長変換素子２４を最適動作温度に保つことが容易になる。波長変換素子２４の位相整合温度を上記の温度「Ｔｂ」からどの程度ずらすかは、レーザ光源モジュール５０に用いられる各第２ヒータ２６ａ，２６ｂの性能、レーザ光源モジュール５０に求められる出力強度、レーザ光源モジュール５０で許容される消費電力等を考慮して適宜選定される。

半導体レーザ素子１３および波長変換素子２４それぞれの温度を制御するにあたっては、第１温度センサ１４および第２温度センサ２５それぞれの検知結果と、ペルチェ素子６０の近傍に配置されて該ペルチェ素子６０の温度を検知する第３温度センサ６５（図３参照）の検知結果と、上記の各熱抵抗とを考慮して、第１ヒータ１５、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂ、およびペルチェ素子６０それぞれの動作条件が選定される。波長変換素子２４の最適動作温度が上述のように選定されていれば、各第２ヒータ２６ａ，２６ｂとして小出力のものを用いても、また波長変換素子２４の近傍に専用の冷却装置を設けなくても、半導体レーザ素子１３および波長変換素子２４の各々を最適動作温度に容易に保つことができる。レーザ光源モジュール５０を使用する際の消費電力を抑えることができる。

実施の形態２．
この発明のレーザ光源モジュールにおいては、波長変換素子が搭載される第３ブロックの下面に、波長変換素子を加温する第２ヒータを搭載することもできる。この場合の第２ヒータの総数は、１以上の所望数とすることができる。

図５は、第３ブロックの下面に第２ヒータが搭載されたレーザ光源モジュールの一例を概略的に示す側面図であり、図６は、図５に示したレーザ光源モジュールを概略的に示す平面図である。これらの図に示すレーザ光源モジュール１５０は、図１または図２に示した第３ブロック２０に代えて第３ブロック１２０を有するヒートシンク１３０を備えているという点を除き、図１または図２に示したレーザ光源モジュール５０と同様の構成を有している。図５または図６に示した構成要素のうちで図１または図２に示した構成要素と共通するものについては、図１または図２で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図示のレーザ光源モジュール１５０では、第３ブロック１２０の下面１２０ｂに１つの第２ヒータ１２６が搭載されている。第３ブロック１２０の上面１２０ａにヒータは搭載されておらず、そのため、当該第３ブロック１２０は図１または図２に示した第３ブロック２０に比べて小型化されている。第３ブロック１２０の上面１２０ａに固定されている基板１２２についても同様である。波長変換素子２４は、第３ブロック１２０、基板１２２、および均熱板２３を介して第２ヒータ１２６により加温される。

このように構成されたレーザ光源モジュール１５０は、実施の形態１で説明したレーザ光源モジュール５０と同様の技術的効果を奏する。また、実施の形態１で説明したレーザ光源モジュール５０よりも更に小型化を図ることができる。

以上、この発明のレーザ光源モジュールについて実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、この発明は上述の形態に限定されるものではない。例えば、半導体レーザ素子を加温する第１ヒータは、第１ブロックの上面に搭載してもよい。第１ヒータを第１ブロックの上面に搭載すれば、第１〜第３ブロックに搭載される全ての部品を同一方向から実装することが可能になるので、実装性が向上する。ただし、第１ヒータを搭載するための面積を第１ブロックの上面に確保することが必要になるので、第１ヒータを第１ブロックの下面に搭載する場合に比べて、レーザ光源モジュールが大型化される。

ステムには、必要に応じてヒートシンクとしての機能を付与することができる。例えばステムにヒートシンク形成用の貫通孔を形成し、この貫通孔に銅系材料等の熱伝導率の高い金属材料や合金材料を圧入することにより、ヒートシンクとしての機能が付与されたステムを得ることができる。

また、ヒートシンクを構成する第１ブロックでの第２ブロック側の側面、および第２ブロックでの第１ブロック側の側面は、第１ブロックの上面と第２ブロックの上面とを同一平面上に位置させるか、または互いに平行にすることが容易であれば、レーザ発振部の光軸または半導体レーザ素子の光軸と直交せずに所定の角度で傾斜していてもよい。同様に、第１ブロックでの第３ブロック側の側面、および第３ブロックでの第１ブロック側の側面は、第１ブロックの上面と第３ブロックの上面とを同一平面上に位置させるか、または互いに平行にすることが容易であれば、レーザ発振部の光軸または波長変換素子の光軸と直交せずに所定の角度で傾斜していてもよい。

ヒートシンクをステムに支持させるにあたっては、第２ブロックを該第２ブロックの底面でステムに固定し、第２ブロックの側面に第１ブロックを固定し、該第１ブロックの側面に第３ブロックを固定してもよい。この発明のレーザ光源モジュールについては、上述したもの以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

この発明のレーザ光源モジュールは、レーザテレビ等の表示装置やレーザプリンタ等の印刷装置等の光源を構成するモジュールとして用いることができる。

Claims (6)

1. 基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子と、該固体レーザ素子を励起する励起光源と、前記固体レーザ素子が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子とが搭載されたヒートシンクと、該ヒートシンクを支持するステムとを備え、
   前記ヒートシンクは、
   基本波レーザ光を発振する固体レーザ素子用のレーザ発振部が上面に搭載された第１ブロックと、
   前記レーザ発振部用の励起光を出射する半導体レーザ素子と第１温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第１ヒータが搭載された第２ブロックと、
   前記レーザ発振部が発振した基本波レーザ光を波長変換する波長変換素子と第２温度センサとが上面に搭載され、所定の面に第２ヒータが搭載された第３ブロックと、
   の３つのブロックに分割されており、
   前記第２ブロックのみが該第２ブロックの側面または底面で前記ステムに固定され、前記第２ブロックの他の側面に前記第１ブロックが固定され、該第１ブロックの側面に前記第３ブロックが固定されていることを特徴とするレーザ光源モジュール。
2. 前記半導体レーザ素子は、前記第２ブロックの上面に固定されたサブマウントに搭載され、
   前記第１温度センサは前記サブマウントに搭載されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源モジュール。
3. 前記第１ヒータは前記第２ブロックの下面に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源モジュール。
4. 前記波長変換素子は、前記第３ブロックの上面に固定された基板上に熱拡散板を介して搭載され、
   前記第２温度センサおよび前記第２ヒータは前記基板に搭載されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源モジュール。
5. 前記第２ヒータは前記第３ブロックの下面に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源モジュール。
6. 前記波長変換素子は、周期分極構造を有する非線形光学材料により形成された波長変換部を有し、
   前記半導体レーザ素子の最適動作温度をＴａ、発熱量をＰａとし、前記波長変換素子の発熱量をＰｂとし、前記半導体レーザ素子から前記ステムの裏面に達する熱伝達経路での熱抵抗をＲａとし、前記波長変換素子から前記ステムの裏面に達する熱輸送経路での熱抵抗をＲｂとしたときに、前記波長変換素子の位相整合温度が下式（ｉ）
   Ｔｂ［℃］＝Ｔａ−Ｒａ×Ｐａ＋Ｒｂ×Ｐｂ ……（ｉ）
   で示される温度Ｔｂの近傍で、該温度Ｔｂよりも低い温度に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源モジュール。

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