JPWO2015063973A1

JPWO2015063973A1 - 半導体レーザ光源

Info

Publication number: JPWO2015063973A1
Application number: JP2015544761A
Authority: JP
Inventors: 裕之渡部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: EP3065236B1; WO2015063973A1; CA2928970C; US20160254639A1; CN105659448B; JP6156510B2; EP3065236A1; US9667029B2; CA2928970A1; EP3065236A4; CN105659448A

Abstract

従来の半導体レーザ光源は、生産工程において、発光体の導波路の間隔を変えたり、レーザアレイのチップに印加する応力を制御するため、生産性が低下するという問題がある。複数本の半導体レーザのストライプが前記ストライプの幅方向に等間隔で配列された半導体レーザアレイ２が搭載されるヒートシンク３ａの形状が、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向における中央側の領域とそれ以外の領域とで放熱効率が異なるように構成する。具体的には、ヒートシンクの第２の面のうちの第２の領域の面積が複数本の半導体レーザのうちでストライプの幅方向において中央側の半導体レーザ以外の放熱部が接する第２の面のうちの第４の領域の面積よりも半導体レーザ１本当たりの面積に換算すると小さい構成となっている。

Description

この発明は、半導体レーザ光源に関するものである。

照明装置や表示装置の光源として、寿命の短いランプに代わり半導体レーザや、発光ダイオード等の半導体発光素子が使われるようになってきている。特に大出力の光源では、発光面積が小さく、容易に出力が合成可能で、またその単色性から再現色域が大きく取れるレーザ光源が有望視されている。しかしレーザを光源としたとき、スペックルノイズと呼ばれるぎらぎらとした斑点模様のように見えるレーザ特有の現象が現れる。

そこで、従来の半導体レーザ光源は、半導体レーザアレイを構成する複数の導波路のうち中央に配列された導波路同士の間隔が複数の導波路のうち端部に配列された導波路同士の間隔よりも狭くするようにしていた（例えば、特許文献１参照）。また、別の従来の半導体レーザ光源では、半導体レーザアレイにおいて、レーザ光の出射端面部の並び方向で異なる応力分布となるように構成することで、半導体レーザ光源から発振される波長に幅を持たせてスペックルノイズを低減させていた（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−４７４３号公報特開２００９−１１１２３０号公報

しかしながら、従来の半導体レーザ光源は、生産工程において、導波路の間隔を変えたり、レーザアレイのチップに印加される応力を制御するため、生産性が低下するという問題がある。

この発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたもので、生産性の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを低減できる半導体レーザ光源を得るものである。

この発明に係る半導体レーザ光源は、複数本の半導体レーザを有し、複数本の半導体レーザのストライプがストライプの幅方向に等間隔で配列された半導体レーザアレイと、半導体レーザアレイが搭載される第１の面と第１の面と対向し冷却部が接する第２の面とを有し、複数本の半導体レーザのうちでストライプの幅方向において中央側の半導体レーザの放熱部が接する第１の面のうちの第１の領域に対向する第２の面のうちの第２の領域の面積が複数本の半導体レーザのうちでストライプの幅方向において中央側の半導体レーザ以外の放熱部が接する第１の面のうちの第３の領域に対向する第２の面のうちの第４の領域の面積よりも半導体レーザ１本当たりの面積に換算すると小さいヒートシンクとを備えたことを特徴とする。

また、この発明に係る別の半導体レーザ光源は、複数本の半導体レーザを有し、複数本の半導体レーザのストライプがストライプの幅方向に等間隔で配列された半導体レーザアレイと、半導体レーザアレイが搭載される第３の面と第３の面と対向し冷却部が接する第４の面とを有し、複数本の半導体レーザのうちでストライプの幅方向において中央側の半導体レーザの放熱部が接する第５の領域に対応する第１の部分の材質よりも中央側の半導体レーザ以外の放熱部が接する第６の領域に対応する第２の部分の材質の方が熱伝導率が高いヒートシンクとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、生産性の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを軽減できる半導体レーザ光源を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源の構成の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源の構成を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源の構成の第１の変形例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源の構成の第２の変形例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源１００の構造図である。半導体レーザアレイ２は、複数本の半導体レーザを有すると共に、複数本の半導体レーザのストライプ（図示せず）がストライプの幅方向に等間隔で配列され、半導体レーザアレイ２の端面には各半導体レーザに対応してレーザ光の出射端面部１を有している。ヒートシンク３ａは、半導体レーザアレイ２が搭載される第１の面と、第１の面と対向した第２の面とを有している。半導体レーザアレイ２は、各半導体レーザの放熱部がヒートシンク３ａの第１の面に接することで、各半導体レーザで発生する熱が放熱されるようにしている。ヒートシンク３ａを冷却する冷却部４は、ヒートシンク３ａの第２の面と接合される。なお、半導体レーザアレイ２に電流を供給すると発光するストライプ及びストライプに電流を供給するためのストライプ状電極は図示していないが、図１において左右方向がストライプの長さ方向で図１において前後方向がストライプの幅方向となっている。

半導体レーザアレイ２を構成する各半導体レーザは、電流を供給すると出射端面部１からレーザ光が出射すると同時に、各半導体レーザの温度が上昇する。半導体レーザアレイ２を構成する各半導体レーザの温度が上がりすぎると発光効率が落ちて半導体レーザ光源１００の出力が下がってしまうため、ヒートシンク３ａにより放熱する。ヒートシンク３ａは、熱伝導性の良い例えば銅等の材料で作られている。冷却部４は、ペルチェ素子及びチラー等を用いて構成される。

図１に示すように、以下では、半導体レーザアレイ２を構成する複数の半導体レーザのうち、図１に示すストライプの幅方向において中央側の半導体レーザを半導体レーザ群２ａ１と呼び、半導体レーザ群２ａ１以外の両端側の半導体レーザを半導体レーザ群２ａ２と呼ぶものとする。また、ヒートシンク３ａの中央側を第１の部分３ａ１と呼び、両端側を第２の部分３ａ２と呼ぶものとする。本実施の形態のヒートシンク３ａは、半導体レーザ群２ａ１の放熱部が中央側の第１の部分３ａ１と面で接し、半導体レーザ群２ａ２の放熱部が両端側の第２の部分３ａ２と面で接している。さらに、ヒートシンク３ａの第１の部分３ａ１及び第２の部分３ａ２は、冷却部４と面で接している。ここで、ヒートシンク３ａにおいて、第１の部分３ａ１の表面で第１の面に含まれる領域を第１の領域と呼び、第２の部分３ａ２の表面で第１の面に含まれる領域を第３の領域と呼ぶものとする。さらに、第１の部分３ａ１の表面で第２の面に含まれる領域を第２の領域と呼び、第２の部分３ａ２の表面で第２の面に含まれる領域を第４の領域と呼ぶものとする。半導体レーザ群２ａ１で発生した熱は、ヒートシンク３ａの第１の部分３ａ１の第１の領域が面で接触することで放熱され、第１の部分３ａ１の第２の領域と冷却部４とが面で接触することで冷却される。半導体レーザ群２ａ２で発生した熱は、シンク３ａの第２の部分３ａ２の第３の領域が面で接触することで放熱され、第２の部分３ａ２の第４の領域と冷却部４とが面で接触することで冷却される。ここで、図１から明らかなように、ヒートシンク３ａにおいて、第２の領域の面積が、第４の領域の面積よりも、半導体レーザ１本当たりの面積に換算すると小さくなっている。ここで、換算とは、面積を対応する半導体レーザの本数で割ることを意味する。

言い換えると、ヒートシンク３ａは、半導体レーザ群２ａ１の放熱部が接する第１の領域に対向する第２の領域の面積が半導体レーザ群２ａ２の放熱部が接する第３の領域に対向する第４の領域の面積よりも半導体レーザ１本当たりの面積に換算すると小さくなるように構成されている。

ところで、半導体レーザアレイ２で発生した熱は、放熱部から半導体レーザアレイ２とヒートシンク３ａとの接合面に対して垂直方向に伝導するが、ヒートシンク３ａ中で水平方向へも伝導する。ヒートシンク３ａの形状が熱の広がり方向に対して十分大きいと、冷却部４を通して効率よく放熱される。一方、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向における中央側は、冷却部４との接触面積が端部側よりも小さいので、ヒートシンク３ａに熱が広がって伝導していく過程において、熱の一部は冷却部４まで到達する前にヒートシンク３ａが冷却部４に接触していない面から、冷却部４を介さずに空気中に放熱されることになる。空気の熱伝導率は、ヒートシンク３ａ及び冷却部４の熱伝導率と比較して非常に小さいため、放熱効果は限られたものになってしまう。すなわち、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる。その結果、半導体レーザ光源１００の波長幅が広がり、スペックルノイズが軽減できる。

なお、一般に半導体レーザは温度が高くなると発光効率が低下し、それに伴い発光強度が低くなる。したがって、放熱効率の高い半導体レーザ群２ａ２の各半導体レーザの１本当たりの発光強度に比べて、放熱効率が幾分低くなった半導体レーザ群２ａ１の各半導体レーザの１本当たりの発光強度が低下する傾向がある。そこで、半導体レーザ群２ａ１を構成する半導体レーザの本数を半導体レーザ群２ａ２を構成する半導体レーザの本数よりも多くすることが望ましい。このようにすることで、半導体レーザ光源１００の波長幅の広がり形状の偏りが低減され、一層のスペックルノイズの軽減が得られる。

以上のように、本実施の形態によると、生産性の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを軽減できる半導体レーザ光源を得ることができる。

なお、図１に示したヒートシンク３ａの形状は一つの例であって、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で部分的に熱伝導率が異なる構造ならば図１に示した形状に限らない。例えば、図２に、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源１００の構成の変形例である半導体レーザ光源２００を示す。ここで、図２に示すストライプの幅方向において中央側の半導体レーザを半導体レーザ群２ｂ１と呼び、半導体レーザ群２ｂ１以外の両端側の半導体レーザを半導体レーザ群２ｂ２と呼ぶものとする。さらに、ヒートシンク３ｂの中央側を第１の部分３ｂ１（図１に示した実施の形態１の例と区別するためにこの図２に示した変形例では符号を図１と異ならせている。）と呼び、両端側を第２の部分３ｂ２（図１に示した実施の形態１の例と区別するためにこの図２に示した変形例では符号を図１とは異ならせている。）と呼ぶものとする。図２に示すように、ヒートシンク３ｂの形状は、第２の部分３ｂ２の表面で第２の面に含まれる第４の領域の半導体レーザ１本当たりの面積が、前記ストライプの幅方向において、中央側から両端側にかけて徐々に大きくなっていく形状にしても良い。

したがって、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる。その結果、この変形例においても、半導体レーザ光源１００の波長幅が広がり、スペックルノイズが軽減できる点は同様である。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源３００の構造図である。本実施の形態は、実施の形態１とはヒートシンク３ｃの構造が異なっており、それ以外は実施の形態１と同様である。ここで、ヒートシンク３ｃの中央側を第１の部分３ｃ１（実施の形態１と区別するために符号を実施の形態２とは異ならせている。）と呼び、両端側を第２の部分３ｃ２（実施の形態１と区別するために図３に示した実施の形態２の例では符号をそれ以外とは異ならせている。）と呼ぶものとする。

本実施の形態のヒートシンク３ｃは、半導体レーザアレイ２が搭載される第３の面と、第３の面と対向した第４の面とを有している。また、ヒートシンク３ｃは、半導体レーザ群２ａ１の放熱部が中央側の第１の部分３ｃ１と面で接し、半導体レーザ群２ａ２の放熱部が両端側の第２の部分３ｃ２と面で接している。ここで、ヒートシンク３ｃにおいて、第１の部分３ｃ１の表面で第３の面に含まれる領域を第５の領域と呼び、第２の部分３ｃ２の表面で第３の面に含まれる領域を第６の領域と呼ぶものとする。
さらに、ヒートシンク３ｃの第１の部分３ｃ１及び第２の部分３ｃ２は、冷却部４と第４の面で接している。

半導体レーザ群２ａ１で発生した熱は、ヒートシンク３ｃの第１の部分３ｃ１の第５の領域が面で接触することで放熱され、第１の部分３ｃ１と冷却部４とが面で接触することで冷却される。半導体レーザ群２ａ２で発生した熱は、ヒートシンク３ｃの第２の部分３ｃ２の第６の領域が面で接触することで放熱され、第２の部分３ｃ２と冷却部４とが面で接触することで冷却される。ここで、ヒートシンク３ｃは、第１の部分３ｃ１と第２の部分３ｃ２とで異なる材質により構成されている。第１の部分３ｃ１の材質は、第２の部分３ｃ２の材質よりも熱伝導率が低い。

言い換えると、半導体レーザ群２ａ１の放熱部が接する第５の領域に対応する第１の部分の材質よりも半導体レーザ群２ａ２の放熱部が接する第６の領域に対応する第２の部分の材質の方が熱伝導率が高くなるように構成されている。

本実施の形態によると、ヒートシンク３ｃが複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向の中央側と端部側とで異なる材質で構成されているため、半導体レーザ光源３００は、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる。その結果、半導体レーザ光源３００の波長幅が広がり、スペックルノイズが軽減できる。

また、本実施の形態によると、生産性の低下を抑制しつつ、スペックルノイズを軽減できる半導体レーザ光源を得ることができる。また、加工が容易であることから、半導体レーザアレイ２の製造ばらつきに対して、安定した性能を得るために容易に対応できる。

また、実施の形態１と同様に、半導体レーザ群２ａ１を構成する半導体レーザの本数を半導体レーザ群２ａ２を構成する半導体レーザの本数よりも多くすることが望ましい。このようにすることで、半導体レーザ光源３００の波長幅の広がり形状の偏りが低減され、一層のスペックルノイズの軽減が得られる。

なお、図３に示したヒートシンク３ｃの形状は一つの例であって、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる構造ならば図３に示した形状に限らない。例えば、図４に、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源３００の構成の第１の変形例である半導体レーザ光源４００を示す。ここで、ヒートシンク３ｄの中央側を第１の部分３ｄ１（他の例と区別するために符号を他の例とは異ならせている。）と呼び、両端側を第２の部分３ｄ２（他の例と区別するために符号を他の例とは異ならせている。）と呼ぶものとする。半導体レーザ光源４００を、図４のＡから矢印の方向に見た断面視、すなわちストライプの長さ方向に見た断面視において、ヒートシンク３ｄは、第１の部分３ｄ１に対応する第２の部分３ｄ２の割合が前記ストライプの幅方向において中央側から両端側にかけて徐々に大きくなる部分を含んでいる。

したがって、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる。その結果、半導体レーザ光源４００の波長幅が広がり、スペックルノイズが軽減できる。この変形例においても、半導体レーザ群２ａ１を構成する半導体レーザの本数を半導体レーザ群２ａ２を構成する半導体レーザの本数よりも多くすることで、一層のスペックルノイズの軽減が得られる点は同様である。

図５に、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源３００の構成の第２の変形例である半導体レーザ光源５００を示す。ここで、ヒートシンク３ｅの中央側を第１の部分３ｅ１（他の例と区別するために符号を他の例とは異ならせている。）と呼び、両端側を第２の部分３ｅ２（他の例と区別するために符号を他の例とは異ならせている。）と呼ぶものとする。本実施の形態のヒートシンク３ｅは、半導体レーザ群２ａ１の放熱部が中央側の第１の部分３ｅ１と面で接し、半導体レーザ群２ａ２の放熱部が両端側の第２の部分３ｅ２と面で接している。さらに、ヒートシンク３ｅの第１の部分３ｅ１及び第２の部分３ｅ２は、冷却部４と面で接している。

なお、本実施の形態の第２の変形例では、ヒートシンク３ｅの第１の部分３ｅ１の部分が空洞になっている。すなわち、第１の部分３ｅ１の材質が空気である。したがって、複数本の半導体レーザのうちストライプの幅方向で放熱効率が不均一になる。その結果、半導体レーザ光源５００の波長幅が広がり、スペックルノイズが軽減できる。この変形例においても、半導体レーザ群２ａ１を構成する半導体レーザの本数を半導体レーザ群２ａ２を構成する半導体レーザの本数よりも多くすることで、一層のスペックルノイズの軽減が得られる点は同様である。

２半導体レーザアレイ、２ａ１半導体レーザアレイ群、
２ｂ１半導体レーザアレイ群、３ａヒートシンク、３ａ１第１の部分、
３ａ２第２の部分、３ｂヒートシンク、３ｂ１第１の部分、３ｂ２第２の部分、
３ｃヒートシンク、３ｃ１第１の部分、３ｃ２第２の部分、３ｄヒートシンク、３ｄ１第１の部分、３ｄ２第２の部分、３ｅヒートシンク、３ｅ１第１の部分、３ｅ２第２の部分、１００半導体レーザ光源、２００半導体レーザ光源、
３００半導体レーザ光源、４００半導体レーザ光源、５００半導体レーザ光源。

Claims

複数本の半導体レーザを有し、前記複数本の半導体レーザのストライプが前記ストライプの幅方向に等間隔で配列された半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイが搭載される第１の面と前記第１の面と対向し冷却部が接する第２の面とを有し、前記複数本の半導体レーザのうちで前記ストライプの幅方向において中央側の半導体レーザの放熱部が接する前記第１の面のうちの第１の領域に対向する前記第２の面のうちの第２の領域の面積が前記複数本の半導体レーザのうちで前記ストライプの幅方向において前記中央側の半導体レーザ以外の放熱部が接する前記第１の面のうちの第３の領域に対向する前記第２の面のうちの第４の領域の面積よりも前記半導体レーザ１本当たりの面積に換算すると小さいヒートシンクと、
を備えた半導体レーザ光源。
複数本の半導体レーザを有し、前記複数本の半導体レーザのストライプが前記ストライプの幅方向に等間隔で配列された半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイが搭載される第３の面と前記第３の面と対向し冷却部が接する第４の面とを有し、前記複数本の半導体レーザのうちで前記ストライプの幅方向において中央側の半導体レーザの放熱部が接する第５の領域に対応する第１の部分の材質よりも前記中央側の半導体レーザ以外の放熱部が接する第６の領域に対応する第２の部分の材質の方が熱伝導率が高いヒートシンクと、
を備えた半導体レーザ光源。
前記ヒートシンクは、前記第１の部分の材質が空気であること
を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ光源。
前記複数の半導体レーザのうちで、前記中央側の半導体レーザの本数は前記中央側以外の半導体レーザの本数よりも多いこと
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源。
前記ヒートシンクは、前記第４の領域の前記半導体レーザ１本当たりの面積が、前記ストライプの幅方向において中央側から両端側にかけて徐々に大きくなっていくこと
を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ光源。
前記ヒートシンクは、前記ストライプの長さ方向に見た断面視で前記第１の部分に対応する前記第２の部分の割合が前記ストライプの幅方向において中央側から両端側にかけて徐々に大きくなる部分を含むこと
を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ光源。