WO2019009086A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2019009086A1
WO2019009086A1 PCT/JP2018/023559 JP2018023559W WO2019009086A1 WO 2019009086 A1 WO2019009086 A1 WO 2019009086A1 JP 2018023559 W JP2018023559 W JP 2018023559W WO 2019009086 A1 WO2019009086 A1 WO 2019009086A1
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WO
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semiconductor laser
electrode block
laser device
lower electrode
submount
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PCT/JP2018/023559
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English (en)
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大森　弘治
笠井　輝明
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device in which an optical component such as a lens is attached to an electrode block.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor laser device including a first electrode block provided with a semiconductor laser element and a submount, and a second electrode block provided to cover the semiconductor laser element and the submount from above. Is disclosed. Each electrode block is integrated by fastening a screw to a screw hole provided in each electrode block.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which a lens unit for adjusting an optical axis of laser light and shaping a shape of the laser light is attached to an upper electrode block of a semiconductor laser device.
  • a semiconductor laser element and a submount are provided on a heat sink to increase the cooling efficiency.
  • the technology disclosed herein has been made in view of such a point, and the purpose thereof is to separately mount the upper and lower electrode blocks in a semiconductor laser device having a structure in which the semiconductor laser element and the submount are sandwiched between the upper and lower electrode blocks.
  • Another object of the present invention is to suppress misalignment between the semiconductor laser element and the optical component.
  • the semiconductor laser device includes a semiconductor laser element that emits laser light and a semiconductor laser element disposed on the top surface and electrically connected to the semiconductor laser element.
  • a heat sink having a fourth connection hole communicating with the second connection hole, and
  • the first and third connection holes for inserting the first fastening member for fastening the upper electrode block and the lower electrode block, and the second fastening member for fastening the lower electrode block and the heat sink are inserted.
  • the second and fourth connection holes for the purpose are separately provided.
  • the first fastening member is a screw made of an insulating material
  • the first connection hole is a screw hole for screwing with the first fastening member
  • the upper electrode block and the lower electrode block can be securely fastened.
  • the upper electrode block and the lower electrode block can be prevented from being electrically connected through the first fastening member.
  • the second fastening member is a screw made of a metal material
  • the fourth connection hole is a threaded hole for screwing with the second fastening member
  • the second fastening member and the lower electrode block are electrically insulated by the insulating member. It is preferable that
  • the fastening strength between the heat sink and the lower electrode block can be enhanced by using a screw made of a metal material as the second fastening member.
  • the second fastening member and the lower electrode block are electrically insulated by the insulating member.
  • a third fastening member made of a conductive material electrically connected to the lower electrode block and the upper electrode block, which is inserted into and fastened to the first and second terminal holes, respectively, and which supplies power to the semiconductor laser device. It is preferable to have.
  • the power supply to the semiconductor laser device can be reliably performed.
  • the third fastening member is preferably a screw, and the first and second terminal holes are preferably threaded holes for screwing with the third fastening member.
  • the external terminal and each electrode block can be securely fastened.
  • the first connection hole is one provided at one place on each side of the submount disposition portion, and one provided at one location separated from the submount disposition portion on the opposite side to the laser light emission direction.
  • the first terminal hole is provided in the vicinity of the center of gravity of a triangle connecting the three first connection holes.
  • the submount mounting portion is preferably a notch-like recess in which the emission direction of the laser light is open.
  • the lower surface of the upper electrode block may be provided with a recess for accommodating the submount and the semiconductor laser device.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a semiconductor laser device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the configuration of the semiconductor laser device according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged sectional view of a portion surrounded by an alternate long and short dash line in FIG.
  • FIG. 5A is a view for explaining one step of the method of assembling a semiconductor laser device.
  • FIG. 5B is a view for explaining the process subsequent to FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a figure explaining the process of the continuation of FIG. 5B.
  • FIG. 5D is a view for explaining the process subsequent to FIG. 5C.
  • FIG. 5E is a view for explaining the process subsequent to FIG. 5D.
  • FIG. 5F is a view for explaining the process subsequent to FIG. 5E.
  • FIG. 5G is a figure explaining the process of the continuation of FIG. 5F.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser device according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of a semiconductor laser device according to a modification.
  • FIG. 8 is a top view showing the configuration of a semiconductor laser device according to a modification.
  • FIGS. 1 and 2 are a perspective view and a top view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the present embodiment, respectively.
  • FIG. 3 shows a cross section taken along line III-III of FIG.
  • FIG. 4 shows an enlarged cross section of a portion surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 5A to 5G are explanatory views of a method of assembling a semiconductor laser device.
  • the heat sink 110, the fastening members 91, 91 and 92, 92, and the external terminals 94a, 94b are not shown.
  • the semiconductor laser device 1 includes a heat sink 110, a lower electrode block 10, a submount 20, a semiconductor laser element 40, an upper electrode block 60, and a lens unit 100 (optical component).
  • the side on which the heat sink 110 is disposed in the semiconductor laser device 1 may be referred to as “down”, and the side on which the upper electrode block 60 is disposed may be referred to as “up”.
  • the laser light emitting end face 40 a side of the semiconductor laser 40 may be referred to as “front” and the opposite side as “rear”.
  • the direction intersecting the vertical direction and the longitudinal direction may be referred to as the horizontal direction.
  • the heat sink 110 has a metal block 111 made of copper and an insulating layer 112 disposed on the top surface of the metal block 111. Further, the heat sink 110 has connection holes 113 and 113 (fourth connection holes) (see FIG. 5F) extending through the insulating layer 112 into the metal block 111.
  • the connection holes 113 and 113 are screw holes whose bottoms are inside the metal block 111 and whose inner surfaces are provided with screw threads (not shown).
  • the constituent material of the metal block 111 is not particularly limited to copper. Other metal-based materials may be used as long as they have high thermal conductivity and high corrosion resistance, or insulating materials may be used. In the case of using an insulating material, the insulating layer 112 may be omitted. Further, a channel for flowing the refrigerant may be provided in the metal block 111.
  • the lower electrode block 10 is provided on the top surface of the heat sink 110, that is, on the insulating layer 112.
  • the lower electrode block 10 is a thick plate-like member made of a conductive material. For example, it is obtained by plating a plate material made of copper (Cu) with nickel (Ni) and gold (Au) in this order. Further, the metal block 111 and the lower electrode block 10 are electrically insulated by the insulating layer 112.
  • the lower electrode block 10 has a cutout-like recess 11 (see FIG. 5A) in which the top surface and a part of the front side surface are cut away and opened (hereinafter referred to simply as the recess 11).
  • the recess 11 is a submount disposition portion in which the submount 20 and the semiconductor laser 40 are accommodated. Laser light is emitted from the semiconductor laser 40 through the front open portion of the recess 11.
  • the lower electrode block 10 also has connection holes 12 and 12 (first connection holes) provided separately from the recess 11 one by one on the left and right of the recess 11.
  • the lower electrode block 10 is provided with connection holes 13 and 13 (second connection holes) provided at one place to the left and right of the recess 11 and at the back of the connection holes 12 and 12 so as to be separated from the connection holes 12 and 12.
  • the lower electrode block 10 has a terminal hole 14 (first terminal hole) provided behind the recess 11 (see FIGS. 5A and 5B).
  • connection holes 13, 13 are provided to communicate with the connection holes 113, 113 provided in the heat sink 110 when the lower electrode block 10 is attached to the heat sink 110. Further, in the lower electrode block 10, the portion provided with the connection holes 13 13 protrudes leftward or rightward, and the portion provided with the terminal hole 14 protrudes rearward. Although not shown, the bottoms of the connection holes 12 and 12 and the terminal hole 14 are inside the lower electrode block 10.
  • the connection holes 13, 13 penetrate the lower electrode block 10.
  • the connection holes 12 and 12 and the terminal hole 14 are screw holes provided with screw threads (not shown) on the inner surface. No screw thread is provided on the inner surface of the connection holes 13, 13.
  • an insulating layer 30 (see FIG. 5C) is provided on the upper surface of the lower electrode block 10 so as to surround the recess 11.
  • the insulating layer 30 has a function of electrically insulating the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 as described later.
  • the insulating layer 30 is made of, for example, an insulating material such as polyimide or ceramic.
  • the insulating layer 30 has two portions, the insulating layer 31 and the insulating layer 32 (see FIG. 5C).
  • the insulating layer 31 is made of a material containing polyimide.
  • the insulating layer 32 is made of a material containing aluminum nitride (AlN). However, these may be the same material or may be one continuous part.
  • the submount 20 is made of, for example, a conductive material such as copper tungsten (Cu: W). As shown in FIG. 3, the submount 20 is disposed in the recess 11 so that the front side surface of the lower electrode block 10 substantially coincides with the front side surface of the submount 20. Further, the submount 20 and the lower electrode block 10 are bonded and electrically connected by a solder material (not shown).
  • the solder material contains, for example, 96.5% of tin (Sn) and 3.5% of silver (Ag).
  • the semiconductor laser 40 is an edge-emitting semiconductor laser.
  • the semiconductor laser 40 has a lower electrode on the lower surface and an upper electrode on the upper surface (all not shown).
  • a lower electrode is disposed on the upper surface of the submount 20 via gold-tin (Au-Sn) solder or the like (not shown). That is, the lower electrode is electrically connected to the submount 20.
  • the lower electrode of the semiconductor laser 40 may be in direct contact with the upper surface of the submount 20.
  • a plurality of bumps 50 are provided on the upper surface of the upper electrode (see FIGS. 3 and 4).
  • the resonator (not shown) of the semiconductor laser device 40 is provided to extend in the front-rear direction.
  • the front side surface of the semiconductor laser 40 corresponds to the laser light emitting end face 40 a.
  • the semiconductor laser 40 is disposed on the submount 20 so that the laser light emitting end face 40 a and the front side surface of the submount 20 substantially coincide with each other.
  • the lower electrode is the positive electrode (+) and the upper electrode is the negative electrode ( ⁇ ), but their polarities may be reversed.
  • the number of resonators in the semiconductor laser 40 may be plural. For example, a plurality of resonators may be provided spaced apart in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the bumps 50 are gold bumps formed by melting a wire made of, for example, gold (Au). Since gold is softer than other metals, the bumps 50 are deformed when the semiconductor laser element 40 and the upper electrode block 60 are connected. Therefore, the semiconductor laser device 40 and the upper electrode block 60 can be electrically well connected to each other without much mechanical damage.
  • the material of the bumps 50 is not limited to gold, but may be any material that is conductive and can ensure the electrical connection between the upper electrode of the semiconductor laser 40 and the upper electrode block 60. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, a metal sheet 70 such as a gold foil may be inserted between the bump 50 and the upper electrode block 60.
  • the contact area between the bumps 50 and the metal sheet 70 can be increased, and the contact resistance between the bumps 50 and the upper electrode block 60 can be reduced.
  • the metal sheet 70 is not limited to gold foil, and a sheet made of another conductive material may be used. Also, a plurality of metal sheets 70 may be inserted between the bumps 50 and the upper electrode block 60, provided that the electrical connection between the bumps 50 and the upper electrode block 60 is sufficiently good. , And the metal sheet 70 may not be inserted.
  • the upper electrode block 60 is provided on the upper surface of the lower electrode block 10 across the insulating layer 30 so as to cover the recess 11, that is, the upper side of the submount disposition portion.
  • the upper electrode block 60 is a thick plate-like member made of a conductive material.
  • the upper electrode block 60 is obtained, for example, by plating a plate material made of copper (Cu) with nickel (Ni) and gold (Au) in this order.
  • the upper electrode block 60 has connection holes 61, 61 (third connection holes) at positions communicating with the connection holes 12, 12 provided in the lower electrode block 10.
  • the upper electrode block 60 further has a terminal hole 62 (second terminal hole) on a line passing between the connection holes 61, 61 in a rear view of the connection holes 61, 61 in a top view (FIG. 2, FIG. 5D) reference).
  • a portion provided with the terminal hole 62 protrudes rearward.
  • the bottom of the terminal hole 62 is inside the upper electrode block 60.
  • the connection holes 61, 61 penetrate the upper electrode block 60.
  • the terminal hole 62 is a screw hole provided with a screw thread (not shown) on the inner surface. No screw thread is provided on the inner surface of the connection holes 61, 61.
  • a metal layer 80 is provided on the lower surface of the upper electrode block 60 at a position covering the recess 11 (see FIGS. 3, 4 and 5 D).
  • the metal layer 80 contacts the metal sheet 70 to electrically connect the bump 50 and the upper electrode block 60 and penetrates the side surface of the bump 50 to provide the contact resistance between the bump 50 and the upper electrode block 60. Has the ability to reduce.
  • money for the metal layer 80 you may use another metal material.
  • the upper electrode block 60 is attached to the lower electrode block 10, it is necessary to consider hardness and the like so that the bumps 50 are not significantly deformed or detached. Further, if the electrical connection between the bumps 50 and the upper electrode block 60 is sufficiently good, the metal layer 80 may not be provided.
  • the lens unit 100 is attached to the front side surface of the upper electrode block 60, and has a holding block 101 and a lens 102 (see FIG. 3).
  • the holding block 101 is a transparent member made of, for example, a quartz material, and is adhered to the front side surface of the upper electrode block 60 via an ultraviolet curing resin (not shown).
  • the lens 102 is fixed to the holding block 101.
  • the lens unit 100 has a function of adjusting the optical axis of the laser beam emitted from the semiconductor laser 40 and shaping the shape of the laser beam. When the lens unit 100 is attached to the upper electrode block 60, the positional relationship between the holding block 101 and the lens 102 is determined in advance so that the optical axis and the shape of the laser beam have a desired relationship.
  • the holding block 101 may be a transparent material, and may be another material such as a resin.
  • the semiconductor laser 40 is often mounted such that the light emitting point of the semiconductor laser 40 is closer to the submount 20. In such a case, much heat flows into the lower electrode block 10 located below the semiconductor laser element 40, and the temperature of the lower electrode block 10 tends to rise.
  • the lens unit 100 is preferably attached to the upper electrode block 60 located above the semiconductor laser device 40.
  • the shape of the lens 102 may be appropriately changed according to the number of resonators of the semiconductor laser 40 and the like. If the semiconductor laser device 40 is a multi-emitter type having a plurality of resonators, the lens 102 may be provided according to each light emission point, or may be a cylindrical lens extending in the arrangement direction of the light emission points Good.
  • the semiconductor laser device 1 further includes fastening members 90 to 92.
  • the fastening members 90, 90 are, for example, screws made of an insulating material such as resin.
  • the upper electrode block 60 is mounted on the lower electrode block 10 such that the connection holes 61, 61 of the upper electrode block 60 communicate with the connection holes 12, 12 of the lower electrode block 10.
  • the fastening members 90 and 90 are respectively inserted into the connection holes 61 and 61 of the upper electrode block 60 and the connection holes 12 and 12 of the lower electrode block 10 communicating therewith. By screwing the fastening members 90, 90 into the connection holes 12, 12, the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 are fastened.
  • the fastening members 91, 91 are, for example, screws made of a metal material such as stainless steel.
  • the lower electrode block 10 is mounted on the heat sink 110 such that the connection holes 13 and 13 of the lower electrode block 10 communicate with the connection holes 113 and 113 of the heat sink 110.
  • the fastening members 91 and 91 are respectively inserted into the connection holes 13 and 13 of the lower electrode block 10 and the connection holes 113 and 113 of the heat sink 110 communicating therewith. By screwing the fastening members 91, 91 into the connection holes 113, 113, the heat sink 110 and the lower electrode block 10 are fastened.
  • bushes 93 and 93 (insulating member) (see FIG. 5F) made of an insulating material are provided.
  • lower electrode block 10 and fastening members 91 and 91 are electrically insulated.
  • an insulation process is performed so that the heat sink 110 and the lower electrode block 10 do not conduct through the fastening members 91 and 91.
  • the surface of the fastening members 91 and 91 may be subjected to insulation treatment, or the connection holes 13 and 13 or the inside of the connection holes 113 and 113 may be subjected to insulation treatment.
  • the constituent material of the fastening member 92 may be another material, for example, an iron-based material, but it is necessary to pay attention to the strength of the material so that the heat sink 110 and the lower electrode block 10 can be firmly fastened.
  • the fastening members 92 and 92 are screws made of a conductive material, for example, a metal material such as stainless steel.
  • One fastening member 92 is inserted into the through hole provided at the tip of the external terminal 94 a for supplying power to the semiconductor laser element 40 and the terminal hole 14 of the lower electrode block 10 and screwed into the terminal hole 14. .
  • the external terminal 94a and the lower electrode block 10 are fastened and electrically connected.
  • the other fastening member 92 is inserted into the through hole provided at the tip of the external terminal 94 b and the terminal hole 62 of the upper electrode block 60 and screwed into the terminal hole 62.
  • the external terminal 94 b and the upper electrode block 60 are fastened and electrically connected.
  • the lower electrode block 10 and the submount 20 to which the semiconductor laser 40 is bonded are prepared (FIG. 5A).
  • the lower electrode block 10 has a recess 11, connection holes 12 and 12, connection holes 13 and 13, and a terminal hole 14.
  • the semiconductor laser 40 and the submount 20 are disposed in the recess 11 of the lower electrode block 10, and a plurality of bumps 50 are formed on the upper electrode of the semiconductor laser 40 (FIG. 5B).
  • a method of forming the bumps 50 will be described.
  • a gold wire is bonded to the upper electrode while applying ultrasonic waves.
  • the gold wire is broken leaving the tip joined to the upper electrode, and the bump 50 having a sharp tip is formed.
  • the bump 50 may be formed by transferring an electrode having a sharpened tip to the upper electrode, for example.
  • the insulating layer 30 including the insulating layer 31 and the insulating layer 32 is formed on the upper surface of the lower electrode block 10.
  • the insulating layer 31 is formed so as to surround the periphery of the recess 11 and to provide an opening at a position corresponding to the connection holes 12 and 12 of the lower electrode block 10.
  • the insulating layer 32 is formed at a position behind the recess 11 and at a distance from the insulating layer 31.
  • the insulating layer 31 is preferably made of, for example, a hard insulating material mainly made of polyimide, which is less deformed, that is, hard.
  • the insulating layer 32 is preferably made of, for example, an insulating material having high thermal conductivity and softness mainly made of aluminum nitride.
  • a heat-resistant resin sheet or the like obtained by kneading a ceramic powder of aluminum nitride is used.
  • the heat discharged to the upper electrode block 60 can be easily discharged to the heat sink 110 through the lower electrode block 10. That is, the constituent material of the insulating layer 32 is softer than the constituent material of the insulating layer 31, and the thermal conductivity is high.
  • the upper electrode block 60 provided with the connection holes 61 and 61, the terminal holes 62, and the metal layer 80 is prepared, and the metal sheet 70 is inserted between the metal layer 80 and the bumps 50 (FIG. 5D).
  • the upper electrode block 60 is disposed on the lower electrode block 10 by aligning so that the connection holes 12 and 12 of the lower electrode block 10 and the connection holes 61 and 61 of the upper electrode block 60 overlap in a top view.
  • the fastening members 90, 90 are respectively inserted into the connection holes 12, 12 and the connection holes 61, 61 communicating therewith, and screwed into the connection holes 12, 12. Thereby, the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 are fastened (FIG. 5E).
  • the heat sink 110 provided with the connection holes 113, 113 is prepared.
  • the lower electrode block 10 is disposed on the heat sink 110 by aligning so that the connection holes 13 and 13 of the lower electrode block 10 and the connection holes 113 and 113 of the heat sink 110 overlap in a top view.
  • the fastening members 91, 91 are respectively inserted into the connection holes 13, 13 and the connection holes 113, 113 communicating therewith.
  • one fastening member 92 is inserted into the through hole provided in the external terminal 94 a and the terminal hole 14 of the lower electrode block 10.
  • Another fastening member 92 is inserted into the through hole provided in the external terminal 94 b and the terminal hole 62 of the upper electrode block 60.
  • the lower electrode block 10 and the heat sink 110 are fastened by screwing the fastening members 91, 91 into the connection holes 113, 113.
  • the fastening members 92 and 92 are screwed into the terminal holes 14 of the lower electrode block 10 and the terminal holes 62 of the upper electrode block 60, respectively, whereby the external terminals 94a and the lower electrode block 10, and the external terminals 94b and the upper electrode block 60. And each is concluded (FIG. 5F).
  • the lens unit 100 in which the lens 102 is fixed to the holding block 101 is disposed in front of the laser light emitting end face 40 a of the semiconductor laser element 40. Electric power is supplied from the external terminals 94 a and 94 b to the semiconductor laser device 40 to emit laser light.
  • the position adjustment of the lens unit 100 is performed by adjusting the amount of tightening of the fastening members 90 and 90 and the fastening members 91 and 91 so that the focal point of the lens 102 becomes optimal.
  • the holding block 101 is adhered to the front side surface of the upper electrode block 60 using an ultraviolet curing resin.
  • An adhesive made of an insulating material is applied or potted around the fastening members 90, 90 and their surroundings, and the fastening members 91, 91, and then the adhesive is cured to form the lower electrode block 10 and the upper electrode block
  • the electrode block 60 and the heat sink 110 are fixed to complete the assembly of the semiconductor laser device 1 (FIG. 5G).
  • the lens unit 100 may be temporarily fixed to the upper electrode block 60 in the focus adjustment operation of the lens 102.
  • an insulating adhesive (not shown) may be inserted between the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 to fix the both.
  • the contact between the heat sink 110 and the lower electrode block 10 needs to be in firm contact from the viewpoint of heat exhaust and attachment to a laser processing head or the like. Therefore, the tightening torque of the fastening members 91, 91 becomes strong. If it is attempted to simultaneously fasten the three members of the lower electrode block 10, the upper electrode block 60, and the heat sink 110 with the same fastening member, the positional deviation between the members becomes large. This problem becomes more pronounced as the tightening torque of the fastening members 91, 91 is increased.
  • connection holes 113 and 113 and the connection holes 13 and 13 for fastening the heat sink 110 and the lower electrode block 10 and the connection holes for fastening the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60. 12, 12 and the connection holes 61, 61 are provided at different positions. Further, the fastening members 90 are inserted into the connection holes 12 and 12 and the connection holes 61 and 61 to fasten the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60. The fastening members 91 and 91 are inserted into the connection holes 113 and 113 and the connection holes 13 and 13 to fasten the heat sink 110 and the lower electrode block 10.
  • the step of tightening the fastening members 91 91 when the heat sink 110 and the lower electrode block 10 are tightened hardly affects the positional relationship between the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60. Therefore, positional deviation between the heat sink and the electrode block which occurs at the time of assembly of the semiconductor laser device 1 can be suppressed. As a result, positional deviation between the semiconductor laser element 40 attached to the lower electrode block 10 and the lens 102 attached to the upper electrode block 60 can be suppressed. As a result, the optical axis of the laser beam can be set to a desired direction, and the shape of the laser beam can be set to a desired shape.
  • the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 are fastened by the fastening members 90, 90 made of an insulating material. Therefore, it can be avoided that the lower electrode block 10 and the upper electrode block 60 are electrically connected through the fastening members 90, 90.
  • the lower electrode block 10 and the heat sink 110 are fastened by the fastening members 91 and 91 made of a metal material. Therefore, the fastening strength between the two can be enhanced.
  • the fastening members 91 and 91 and the lower electrode block 10 are electrically insulated by the bushes 93 and 93 inserted between the fastening members 91 and 91 and the lower electrode block 10. This can prevent the heat sink 110 and the lower electrode block 10 from being electrically connected through the fastening members 91, 91.
  • the lower electrode block 10 may not be provided with a recess
  • the upper electrode block 60 may be provided with a recess 63 for accommodating the semiconductor laser element 40 and the submount 20.
  • the semiconductor laser 40 and the submount 20 are disposed at a predetermined position (submount disposition portion) near the front side surface on the lower electrode block 10.
  • a part of the lower surface and the front side surface of the upper electrode block 60 is cut open. Laser light is emitted from the semiconductor laser 40 through the front open portion of the recess 63.
  • the metal layer 80 is provided on the lower surface of the upper electrode block 60 in the recess 63.
  • connection holes 13 and 13 of the lower electrode block 10 and the connection holes 61 and 61 of the upper electrode block 60 are provided on the inner surfaces of the connection holes 13 and 13 of the lower electrode block 10 and the connection holes 61 and 61 of the upper electrode block 60.
  • screw threads are provided on the inner surfaces of the connection holes 13 and 13 and the connection holes 61 and 61 at the time of fastening by the fastening members 90 and 90 and 91 and 91, the connection holes 113 and 113 located below and communicated respectively This is because, due to processing tolerances between threads formed in the connection holes 12 and 12 or the like, the arrangement relationship of the respective members is deviated.
  • (Modification) 7 and 8 are a perspective view and a top view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the present modification, respectively.
  • the heat sink 110, the fastening members 91 and 91, 92 and 92, and the external terminals 94a and 94b are omitted.
  • connection hole 12 is added to the lower electrode block 10.
  • the added connection hole 12 is a straight line passing behind the connection holes 12 located on both sides of the recess 11, that is, a line opposite to the emission direction of the laser light and between these connection holes 12 12 in top view It is located on the top. That is, the connection holes 12, 12, 12 are arranged to constitute the apex of a triangle in top view.
  • one connection hole 61 is added to the upper electrode block 60.
  • the added connection holes 61 are straight lines passing behind the connection holes 61 located on both sides of the recess 11, that is, opposite to the emission direction of the laser light and between the connection holes 61 in a top view.
  • connection holes 61, 61, 61 are arranged to constitute the apex of a triangle in top view. Furthermore, the fastening member 90 is inserted through the added connection holes 12 and 61, and the lower electrode block 10 and the upper electrode are screwed by screwing the fastening members 90, 90 and 90 into the connection holes 12, 12 and 12, respectively. The block 60 is concluded.
  • the terminal hole 62 of the upper electrode block 60 is disposed in the vicinity of the center of gravity of the triangle connecting the connection holes 61, 61, 61 in top view.
  • the vicinity of the center of gravity of the triangle includes the center of gravity of the triangle and a predetermined range around it.
  • the terminal hole 62 is disposed at the center of gravity of the triangle.
  • the terminal hole 62 is assumed to be disposed within a predetermined range.
  • connection hole 12, 12 and one connection hole 13, 13 are provided on the left and right of the recess 11 of the lower electrode block 10. May be
  • the semiconductor laser device can suppress positional deviation between the semiconductor laser element attached to the lower electrode block and the lens attached to the upper electrode block. As a result, laser light of a desired shape can be emitted. Therefore, it is useful when applying a semiconductor laser device to a laser processing apparatus etc.

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Abstract

半導体レーザ装置（１）は、第１端子孔と、半導体レーザ素子が配設されたサブマウントを収容する凹部の両側に第１及び第２接続孔とを有する下部電極ブロック（１０）と、第１接続孔と連通した第３接続孔と、第２端子孔とを有する上部電極ブロック（６０）と、下部電極ブロック（１０）が配設され、第２接続孔に連通した第４接続孔を有するヒートシンク（１１０）と、上部電極ブロック（６０）に取付けられた光学部品（１００）と、を備えている。下部電極ブロック（１０）及び上部電極ブロック（６０）は第１締結部材（９０，９０）により締結され、下部電極ブロック（１０）とヒートシンク（１１０）とは第２締結部材（９１，９１）により締結されている。

Description

半導体レーザ装置
　ここに開示する技術は、半導体レーザ装置に関し、特に、レンズ等の光学部品が電極ブロックに取り付けられた半導体レーザ装置に関する。
　近年、レーザ光を用いた金属加工の需要が高まっており、レーザ装置の高出力化が要求されており、光－電気変換効率の高い半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置が注目されている。半導体レーザ装置の高出力化に伴い、半導体レーザ素子に流れる電流量が大きくなり、ジュール熱により半導体レーザ素子の温度が上昇する。これが半導体レーザ素子の性能の低下や半導体レーザ素子の劣化、故障等を引き起こすおそれがある。
　従来、半導体レーザ素子及びサブマウントを上下から電極ブロックで挟み込み、電極ブロックを介して半導体レーザ素子で発生した熱を排出する構造の半導体レーザ装置が提案されている。特許文献１は、半導体レーザ素子及びサブマウントが配設された第１の電極ブロックと、半導体レーザ素子及びサブマウントを上方から覆うように設けられた第２の電極ブロックとを備えた半導体レーザ装置を開示している。各々の電極ブロックに設けられたネジ孔にネジを締結することにより各電極ブロックが一体化されている。
　また、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、光照射面において楕円形状となる。レーザ光の径を絞って加工精度を高めるためにレーザ光の形状を整形する必要がある。特許文献２には、レーザ光の光軸を調整し、レーザ光の形状を整形するためのレンズユニットを半導体レーザ装置の上部電極ブロックに取り付ける構造が開示されている。
国際公開第２０１６／１０３５３６号 国際公開第２０１６／０６３４３６号
　ところで、一般に、半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子及びサブマウントをヒートシンクに配設し、冷却効率を高めるようにしている。
　しかし、特許文献２に開示される構造をヒートシンクに取り付ける場合、例えば、特許文献１に開示されるような方法で各部材を締結すると、ネジの締め付け方によってはヒートシンクや電極ブロックの間で相対的に位置ずれが起こるおそれがある。そのような場合、半導体レーザ素子の光出射点と光学部品（レンズユニット）との光軸調整がずれたり、半導体レーザ素子と光学部品との距離が変化して、レーザ光を所望の形状に整形できなかったりする。
　ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体レーザ素子及びサブマウントを上下の電極ブロックで挟み込む構造の半導体レーザ装置において、上下の電極ブロックに別々に取り付けられた半導体レーザ素子と光学部品との間の位置ずれを抑制することにある。
　上記の目的を達成するために、ここに開示する技術では、半導体レーザ装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、上面に半導体レーザ素子が配設され、半導体レーザ素子に電気的に接続された導電材料からなるサブマウントと、サブマウントの下側に設けられてサブマウントに電気的に接続され、上面にサブマウントを配設するためのサブマウント配設部を有し、少なくともサブマウント配設部の両側に第１接続孔が設けられ、サブマウント配設部の両側に第２接続孔が第１接続孔と離間して設けられ、サブマウント配設部、第１及び第２接続孔と離間して第１端子孔が設けられた下部電極ブロックと、下部電極ブロックの上にサブマウント及び半導体レーザ素子を覆うように設けられ、第１接続孔と連通した第３接続孔と、第３接続孔と離間して設けられた第２端子孔とを有し、半導体レーザ素子に電気的に接続され、下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックと、上面に下部電極ブロックが配設され、第２接続孔に連通した第４接続孔を有するヒートシンクと、上部電極ブロックに取り付けられ、前記半導体レーザ素子からの前記レーザ光を受ける光学部品とを備え、下部電極ブロックと上部電極ブロックとは、第１及び第３接続孔に挿通される第１締結部材により締結され、下部電極ブロックとヒートシンクとは、第２及び第４接続孔に挿通される第２締結部材によって締結されていることを特徴とする。
　この構成によれば、上部電極ブロックと下部電極ブロックとを締結する第１締結部材を挿通するための第１及び第３接続孔と、下部電極ブロックとヒートシンクとを締結する第２締結部材を挿通するための第２及び第４接続孔とが別個に設けられる。これにより、半導体レーザ装置の組立時に生じるヒートシンク、上部電極ブロックおよび下部電極ブロックの間の位置ずれを抑制することができる。このことにより、半導体レーザ素子と光学部品との位置ずれを抑制することができる。
　第１締結部材は絶縁材料からなるネジであり、第１接続孔は第１締結部材と螺合するためのネジ孔であるのが好ましい。
　この構成によれば、上部電極ブロックと下部電極ブロックとを確実に締結できる。また、第１締結部材を通じて上部電極ブロックと下部電極ブロックとが電気的に接続されることを回避できる。
　第２締結部材は金属材料からなるネジであり、第４接続孔は第２締結部材と螺合するためのネジ孔であり、絶縁部材により第２締結部材と下部電極ブロックとが電気的に絶縁されているのが好ましい。
　この構成によれば、第２締結部材として金属材料からなるネジを用いることにより、ヒートシンクと下部電極ブロックとの締結強度を高められる。また、絶縁部材により第２締結部材と下部電極ブロックとが電気的に絶縁される。
　第１及び第２端子孔にそれぞれ挿通されて締結され、半導体レーザ素子に電力を供給する外部端子をそれぞれ下部電極ブロック及び上部電極ブロックに電気的に接続する導電材料からなる第３締結部材をさらに備えるのが好ましい。
　この構成によれば、半導体レーザ素子への電力供給を確実に行える。
　第３締結部材はネジであり、第１及び第２端子孔は第３締結部材と螺合するためのネジ孔であるのが好ましい。
　この構成によれば、外部端子と各電極ブロックとを確実に締結できる。
　第１接続孔は、サブマウント配設部の両側に１箇所ずつ設けられたものと、レーザ光の出射方向と反対側でサブマウント配設部と離間した１箇所に設けられたものとの３つからなり、上面視で、第１端子孔は、３つの第１接続孔を結ぶ三角形の重心近傍に設けられているのが好ましい。
　この構成によれば、下部電極ブロックと上部電極ブロックとを締結する際に両者の間で位置ずれが起こりにくくなる。そのため、上部電極ブロックに光学部品を取り付ける際、光学部品の位置調整を容易に行うことができる。
　サブマウント配設部は、レーザ光の出射方向が開放された切欠状凹部であるのが好ましい。
　上部電極ブロックの下面には、サブマウント及び半導体レーザ素子を収容する凹部が設けられていてもよい。
　本開示によれば、上部電極ブロックに取り付けられた光学部品と下部電極ブロックに取り付けられた半導体レーザ素子との間の位置ずれを抑制できる。
図１は、一実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。 図２は、一実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す上面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図である。 図４は、図３の一点鎖線で囲まれた部分の拡大断面図である。 図５Ａは、半導体レーザ装置の組立方法の一工程を説明する図である。 図５Ｂは、図５Ａの続きの工程を説明する図である。 図５Ｃは、図５Ｂの続きの工程を説明する図である。 図５Ｄは、図５Ｃの続きの工程を説明する図である。 図５Ｅは、図５Ｄの続きの工程を説明する図である。 図５Ｆは、図５Ｅの続きの工程を説明する図である。 図５Ｇは、図５Ｆの続きの工程を説明する図である。 図６は、一実施形態に係る別の半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 図７は、変形例に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。 図８は、変形例に係る半導体レーザ装置の構成を示す上面図である。
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態）
　［半導体レーザ装置の構成］
　図１，２は、それぞれ、本実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図と上面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面を示す。図４は、図３の一点鎖線で囲まれた部分の拡大断面を示す。図５Ａ～５Ｇは、半導体レーザ装置の組立方法の説明図である。なお、説明の便宜上、図２～４において、ヒートシンク１１０と締結部材９１，９１及び９２，９２、さらに外部端子９４ａ，９４ｂの図示を省略している。
　半導体レーザ装置１は、ヒートシンク１１０と、下部電極ブロック１０と、サブマウント２０と、半導体レーザ素子４０と、上部電極ブロック６０と、レンズユニット１００（光学部品）とを備えている。なお、以降の説明において、半導体レーザ装置１におけるヒートシンク１１０が配置された側を「下」と、上部電極ブロック６０が配置された側を「上」と呼ぶことがある。また、半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａ側を「前」と、その反対側を「後」と呼ぶことがある。また、半導体レーザ装置１において、上記の上下方向及び前後方向と交差する方向を左右方向と呼ぶことがある。
　ヒートシンク１１０は、銅からなる金属ブロック１１１と、金属ブロック１１１の上面に配された絶縁層１１２を有している。また、ヒートシンク１１０は、絶縁層１１２を貫通して金属ブロック１１１内部に延びる接続孔１１３，１１３（第４接続孔）（図５Ｆ参照）を有している。接続孔１１３，１１３は、底面が金属ブロック１１１内部にあり、内面にはネジ山（図示せず）が設けられたネジ孔である。なお、金属ブロック１１１の構成材料は銅に特に限定されない。熱伝導率が高く、耐腐食性の高い材料であれば、他の金属系材料でもよいし、あるいは絶縁材料を用いてもよい。絶縁材料を用いる場合、絶縁層１１２はなくてもよい。また、金属ブロック１１１の内部に、冷媒を流すための流路を設けてもよい。
　下部電極ブロック１０は、ヒートシンク１１０の上面、すなわち絶縁層１１２上に設けられている。下部電極ブロック１０は、導電材料からなる厚板状の部材である。例えば、銅（Ｃｕ）からなる板材にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをこの順にメッキして得られる。また、絶縁層１１２により、金属ブロック１１１と下部電極ブロック１０とは電気的に絶縁されている。下部電極ブロック１０は、上面及び前方側面の一部が切り欠かれて開放された切欠状凹部１１（図５Ａ参照）を有している（以下、単に凹部１１という）。凹部１１はサブマウント２０及び半導体レーザ素子４０が収容されるサブマウント配設部である。凹部１１の前方開放部を通して、半導体レーザ素子４０からレーザ光が出射される。また、下部電極ブロック１０は、凹部１１の左右に１箇所ずつ、凹部１１と離間して設けられた接続孔１２，１２（第１接続孔）を有する。加えて、下部電極ブロック１０は、凹部１１の左右に１箇所ずつ、かつ接続孔１２，１２の後方に接続孔１２，１２から離間して設けられた接続孔１３，１３（第２接続孔）を有する。さらに、下部電極ブロック１０は、凹部１１の後方に設けられた端子孔１４（第１端子孔）を有している（図５Ａ，５Ｂ参照）。このうち、接続孔１３，１３は、下部電極ブロック１０をヒートシンク１１０に取り付ける際に、ヒートシンク１１０に設けられた接続孔１１３，１１３に連通するように設けられている。また、下部電極ブロック１０において、接続孔１３，１３が設けられた部分が左方または右方に張り出しており、端子孔１４が設けられた部分が後方に張り出している。図示しないが、接続孔１２，１２及び端子孔１４の底面は下部電極ブロック１０の内部にある。接続孔１３，１３は下部電極ブロック１０を貫通している。また、接続孔１２，１２及び端子孔１４は、内面にネジ山（図示せず）が設けられたネジ孔である。接続孔１３，１３の内面にはネジ山は設けられていない。
　また、下部電極ブロック１０の上面には凹部１１を囲むように絶縁層３０（図５Ｃ参照）が設けられている。絶縁層３０は、後述するように下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とを電気的に絶縁する機能を有する。絶縁層３０は、例えば、ポリイミドやセラミック等の絶縁材料からなる。本実施形態においては、絶縁層３０は２つの部分、絶縁層３１と絶縁層３２とを有する（図５Ｃ参照）。絶縁層３１はポリイミドを含む材料からなる。絶縁層３２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む材料からなる。ただし、これらは同じ材料でもよいし、連続した１つの部分としてもよい。
　サブマウント２０は、例えば銅タングステン（Ｃｕ：Ｗ）等の導電材料からなる。図３に示すように、サブマウント２０は、下部電極ブロック１０の前方側面とサブマウント２０の前方側面がほぼ一致するように凹部１１内に配設されている。また、サブマウント２０と下部電極ブロック１０とは図示しないハンダ材料により接着され、電気的に接続されている。ハンダ材料は、例えば、スズ（Ｓｎ）を９６．５％と銀（Ａｇ）を３．５％とを含んでいる。
　半導体レーザ素子４０は、端面放射型の半導体レーザ素子である。また、半導体レーザ素子４０は下面に下側電極を、上面に上側電極をそれぞれ有する（いずれも図示せず）。サブマウント２０の上面に下側電極が金スズ（Ａｕ－Ｓｎ）ハンダ等（図示せず）を介して配設されている。すなわち、下側電極がサブマウント２０に電気的に接続されている。なお、サブマウント２０の上面に半導体レーザ素子４０の下側電極が直接接するようにしてもよい。また、上側電極の上面には複数のバンプ５０が設けられている（図３，４参照）。半導体レーザ素子４０の共振器（図示せず）は、前後方向に延びて設けられている。半導体レーザ素子４０の前方側面が、レーザ光出射端面４０ａに相当する。また、半導体レーザ素子４０は、レーザ光出射端面４０ａとサブマウント２０の前方側面とがほぼ一致するようにサブマウント２０上に配設されている。なお、本実施形態において、下側電極が正極（＋）であり、上側電極が負極（－）であるが、これらの極性は反対であってもよい。また、半導体レーザ素子４０における共振器の数は複数であってもよい。例えば、図３における紙面と垂直な方向に離間して設けられた複数の共振器を有していてもよい。
　バンプ５０は、例えば金（Ａｕ）を材料とするワイヤを溶融させて形成した金バンプである。金は他の金属に比べて柔らかいため、半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６０とを接続する際にバンプ５０が変形する。そのため、半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６０とに機械的なダメージをあまり与えることなく、両者の間を電気的に良好に接続することができる。なお、バンプ５０の材料は金に限らず、導電性であって、半導体レーザ素子４０の上側電極と上部電極ブロック６０との電気的接続を確保できる材料であればよい。また、図３，４に示すように、バンプ５０と上部電極ブロック６０との間に金箔等の金属シート７０が挿入されていてもよい。金属シート７０を挿入することにより、バンプ５０と金属シート７０との接触面積を増加させることができ、バンプ５０と上部電極ブロック６０との間の接触抵抗を減少させることができる。なお、金属シート７０は金箔に限らず、他の導電材料からなるシートを用いてもよい。また、バンプ５０と上部電極ブロック６０との間に挿入される金属シート７０は複数枚であってもよいし、バンプ５０と上部電極ブロック６０との間の電気的接続が十分に良好であれば、金属シート７０を挿入しなくてもよい。
　上部電極ブロック６０は、凹部１１、すなわち、サブマウント配設部の上方を覆うように、絶縁層３０を挟んで下部電極ブロック１０の上面に設けられている。上部電極ブロック６０は、導電材料からなる厚板状の部材である。上部電極ブロック６０は、例えば、銅（Ｃｕ）からなる板材にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをこの順にメッキして得られる。上部電極ブロック６０は、下部電極ブロック１０に設けられた接続孔１２，１２に連通する位置に接続孔６１，６１（第３接続孔）を有する。上部電極ブロック６０は、さらに、接続孔６１，６１の後方かつ上面視で接続孔６１，６１の間を通る線上に端子孔６２（第２端子孔）を有している（図２、図５Ｄ参照）。上部電極ブロック６０において、端子孔６２が設けられた部分が後方に張り出している。図示しないが、端子孔６２の底面は上部電極ブロック６０の内部にある。接続孔６１，６１は上部電極ブロック６０を貫通している。また、端子孔６２は、内面にネジ山（図示せず）が設けられたネジ孔である。接続孔６１，６１の内面にはネジ山は設けられていない。
　また、上部電極ブロック６０の下面には、凹部１１を覆う位置に金属層８０が設けられている（図３，４，５Ｄ参照）。金属層８０は、金属シート７０と接触して、バンプ５０と上部電極ブロック６０とを電気的に接続するとともに、バンプ５０の側面に入り込んでバンプ５０と上部電極ブロック６０との間の接触抵抗を減少させる機能を有する。なお、金属層８０は金を用いるのが好ましいが、他の金属材料を用いてもよい。ただし、上部電極ブロック６０を下部電極ブロック１０に取り付ける際に、バンプ５０が大きく変形したり、あるいは脱離したりしないように硬度等を考慮する必要がある。また、バンプ５０と上部電極ブロック６０との間の電気的接続が十分に良好であれば、金属層８０を設けなくてもよい。
　レンズユニット１００は、上部電極ブロック６０の前方側面に取り付けられており、保持ブロック１０１とレンズ１０２とを有している（図３参照）。保持ブロック１０１は、例えば石英材料からなる透明部材であり、紫外線硬化樹脂（図示せず）を介して上部電極ブロック６０の前方側面に接着されている。レンズ１０２は保持ブロック１０１に固定されている。レンズユニット１００は、半導体レーザ素子４０から出射されるレーザ光の光軸を調整するとともに、レーザ光の形状を整形する機能を有している。保持ブロック１０１とレンズ１０２との配置関係は、レンズユニット１００を上部電極ブロック６０に取り付ける際、レーザ光の光軸及び形状が所望の関係となるように予め定められている。なお、保持ブロック１０１は透明材料であればよく、他の材料、例えば樹脂等でもよい。
　ところで、半導体レーザ素子４０を効率良く冷却するために、半導体レーザ素子４０の発光点がサブマウント２０に近い側になるよう半導体レーザ素子４０を実装することが多い。このような場合、半導体レーザ素子４０の下側に位置する下部電極ブロック１０に多くの熱が流れ込み、下部電極ブロック１０の温度が上昇しやすくなる。下部電極ブロック１０にレンズユニット１００を取り付けると、保持ブロック１０１を構成する材料が熱膨張あるいは収縮することで、レンズ１０２と半導体レーザ素子４０との相対位置が変動するおそれがある。これを回避するため、レンズユニット１００は半導体レーザ素子４０の上側に位置する上部電極ブロック６０に取り付けられるのが好ましい。なお、半導体レーザ素子４０の共振器の数等に応じて、レンズ１０２の形状は適宜変更されうる。半導体レーザ素子４０が複数の共振器を有するマルチエミッタタイプであれば、レンズ１０２は個々の発光点に応じて設けられていてもよいし、あるいは発光点の配列方向に延在するシリンドリカルレンズとしてもよい。
　半導体レーザ装置１はさらに、締結部材９０～９２を備えている。締結部材９０，９０（第１締結部材）は、例えば樹脂等の絶縁材料からなるネジである。上部電極ブロック６０は、上部電極ブロック６０の接続孔６１，６１が下部電極ブロック１０の接続孔１２，１２に連通するように、下部電極ブロック１０上に取り付けられている。締結部材９０，９０は、上部電極ブロック６０の接続孔６１，６１とこれらに連通する下部電極ブロック１０の接続孔１２，１２とにそれぞれ挿通されている。締結部材９０，９０を接続孔１２，１２に螺合することにより、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とが締結される。
　締結部材９１，９１（第２締結部材）は、例えばステンレス鋼等の金属材料からなるネジである。下部電極ブロック１０は、下部電極ブロック１０の接続孔１３，１３がヒートシンク１１０の接続孔１１３，１１３に連通するように、ヒートシンク１１０上に取り付けられている。締結部材９１，９１は、下部電極ブロック１０の接続孔１３，１３とこれらに連通するヒートシンク１１０の接続孔１１３，１１３とにそれぞれ挿通されている。締結部材９１，９１を接続孔１１３，１１３に螺合することにより、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とが締結される。なお、締結部材９１，９１の頭部と下部電極ブロック１０の接続孔１３，１３の上部との間に絶縁材料からなるブッシュ９３，９３（絶縁部材）（図５Ｆ参照）が設けられる。これにより、下部電極ブロック１０と締結部材９１，９１とは電気的に絶縁されている。また、図示しないが、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とが締結部材９１，９１を介して導通しないように絶縁処理が施されている。例えば、締結部材９１，９１の表面に絶縁処理を施してもよいし、接続孔１３，１３や接続孔１１３，１１３の内部に絶縁処理を施してもよい。また、締結部材９２の構成材料は、他の材料、例えば鉄系材料であってもよいが、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とを強固に締結できるように材料の強度に留意する必要がある。
　締結部材９２，９２（第３締結部材）は、導電材料、例えばステンレス鋼等の金属材料からなるネジである。一つの締結部材９２は、半導体レーザ素子４０に電力を供給する外部端子９４ａの先端部に設けられた貫通孔と下部電極ブロック１０の端子孔１４とに挿通され、端子孔１４に螺合される。これにより、外部端子９４ａと下部電極ブロック１０とが締結され、かつ電気的に接続される。また、もう一つの締結部材９２は、外部端子９４ｂの先端部に設けられた貫通孔と上部電極ブロック６０の端子孔６２とに挿通され、端子孔６２に螺合される。により、外部端子９４ｂと上部電極ブロック６０とが締結され、かつ電気的に接続される。
　［半導体レーザ装置の組立方法］
　次に、半導体レーザ装置１の組立方法を図面を用いて説明する。
　下部電極ブロック１０と、半導体レーザ素子４０が接合されたサブマウント２０とを準備する（図５Ａ）。下部電極ブロック１０は、凹部１１と接続孔１２，１２と接続孔１３，１３と端子孔１４とを有する。
　半導体レーザ素子４０及びサブマウント２０を下部電極ブロック１０の凹部１１内に配設し、半導体レーザ素子４０の上側電極に複数のバンプ５０を形成する（図５Ｂ）。ここで、バンプ５０の形成方法について説明する。例えば、超音波を与えつつ金ワイヤを上側電極に接合する。超音波を与えた状態で金ワイヤに所定の張力を付与することで、上側電極に接合された先端を残して金ワイヤを破断し、先端が尖った形状のバンプ５０を形成する。ただし、他の方法、例えば、先端が尖った形状の電極を上側電極に転写してバンプ５０を形成してもよい。
　次に、下部電極ブロック１０の上面に、絶縁層３１および絶縁層３２を含む絶縁層３０を形成する。（図５Ｃ）。絶縁層３１は、凹部１１の周囲を囲むように、また、下部電極ブロック１０の接続孔１２，１２に対応する位置に開口が設けられるように形成する。絶縁層３２は、凹部１１の後方かつ絶縁層３１と離間した位置に形成する。
　絶縁層３１は、例えばポリイミドを主とした、変形が少ない、つまり、固い絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、上部電極ブロック６０を下部電極ブロック１０に取り付ける際、半導体レーザ素子４０の上方において上部電極ブロック６０の位置を安定させることができる。また、絶縁層３２は、例えば窒化アルミニウムを主とした、熱伝導率が高く、柔らかい絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、窒化アルミニウムのセラミック粉末を混練した耐熱樹脂シート等を用いる。これにより、上部電極ブロック６０と絶縁層３２との密着性が高くなる。また、上部電極ブロック６０に排出された熱を、下部電極ブロック１０を介してヒートシンク１１０に排出しやすくなる。すなわち、絶縁層３２の構成材料は絶縁層３１の構成材料よりも柔らかく、また、熱伝導率が高い。
　接続孔６１，６１と端子孔６２と金属層８０とが設けられた上部電極ブロック６０を準備し、金属層８０とバンプ５０との間に金属シート７０を挿入する（図５Ｄ）。
　上面視で、下部電極ブロック１０の接続孔１２，１２と上部電極ブロック６０の接続孔６１，６１とが重なり合うように位置合わせを行って下部電極ブロック１０の上に上部電極ブロック６０を配置する。締結部材９０，９０を接続孔１２，１２とこれらに連通する接続孔６１，６１とにそれぞれ挿通し、接続孔１２，１２に螺合する。これにより、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とを締結する（図５Ｅ）。
　接続孔１１３，１１３が設けられたヒートシンク１１０を準備する。上面視で、下部電極ブロック１０の接続孔１３，１３とヒートシンク１１０の接続孔１１３，１１３とが重なり合うように位置合わせを行ってヒートシンク１１０の上に下部電極ブロック１０を配置する。締結部材９１，９１を接続孔１３，１３とこれらに連通する接続孔１１３，１１３とにそれぞれ挿通する。また、一つの締結部材９２を、外部端子９４ａに設けられた貫通孔と下部電極ブロック１０の端子孔１４とに挿通する。もう一つの締結部材９２を、外部端子９４ｂに設けられた貫通孔と上部電極ブロック６０の端子孔６２とに挿通する。さらに、締結部材９１，９１を接続孔１１３，１１３に螺合することにより、下部電極ブロック１０とヒートシンク１１０とを締結する。また、締結部材９２，９２を下部電極ブロック１０の端子孔１４及び上部電極ブロック６０の端子孔６２にそれぞれ螺合することにより、外部端子９４ａと下部電極ブロック１０及び外部端子９４ｂと上部電極ブロック６０とをそれぞれ締結する（図５Ｆ）。
　次に、保持ブロック１０１にレンズ１０２が固定されたレンズユニット１００を半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａの前方に配置する。外部端子９４ａ，９４ｂから半導体レーザ素子４０に電力を供給し、レーザ光を出射させる。レンズ１０２の焦点が最適になるように締結部材９０，９０や締結部材９１，９１の締め込み量を調整することにより、レンズユニット１００の位置調整を行う。レンズユニット１００の位置調整完了後に、紫外線硬化樹脂を用いて保持ブロック１０１を上部電極ブロック６０の前方側面に接着する。締結部材９０，９０及びその周囲、また、締結部材９１，９１及びその周囲に絶縁材料からなる接着材（図示せず）を塗布またはポッティングした後、接着材を硬化させ、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とヒートシンク１１０とを固定して半導体レーザ装置１の組立を完了する（図５Ｇ）。なお、レンズ１０２の焦点調整作業にあたって、レンズユニット１００を上部電極ブロック６０に仮固定していてもよい。また、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０との間に図示しない絶縁性の接着材を挿入し、両者を固定するようにしてもよい。
　熱排出及びレーザ加工ヘッド等への取り付けの観点から、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０との間は接触を強固にする必要がある。そのため、締結部材９１，９１の締め込みトルクが強くなる。下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とヒートシンク１１０との３つの部材を同じ締結部材で同時に締結しようとすると、各部材間での位置ずれが大きくなってしまう。締結部材９１，９１の締め込みトルクを強くするほど、この問題が顕著になる。
　本実施形態によれば、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とを締結するための接続孔１１３，１１３及び接続孔１３，１３と、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とを締結するための接続孔１２，１２及び接続孔６１，６１とをそれぞれ別の位置に設けている。さらに、接続孔１２，１２及び接続孔６１，６１に締結部材９０，９０を挿通して下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とを締結する。接続孔１１３，１１３及び接続孔１３，１３に締結部材９１，９１を挿通してヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とを締結している。このようにすることで、ヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０とを締結する際の締結部材９１，９１の締め付け工程が、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０との配置関係に影響を与えにくくなる。従って、半導体レーザ装置１の組立時に生じるヒートシンクや電極ブロックの間の位置ずれを抑制することができる。このことにより、下部電極ブロック１０に取り付けられた半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６０に取り付けられたレンズ１０２との位置ずれを抑制することができる。その結果、レーザ光の光軸を所望の方向とし、レーザ光の形状を所望の形状とすることができる。
　また、絶縁材料からなる締結部材９０，９０により下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とが締結される。そのため、締結部材９０，９０を通じて下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とが電気的に接続されることを回避できる。また、金属材料からなる締結部材９１，９１により下部電極ブロック１０とヒートシンク１１０とが締結される。そのため、両者の間の締結強度を高められる。また、締結部材９１，９１と下部電極ブロック１０との間に挿入されたブッシュ９３，９３により、締結部材９１，９１と下部電極ブロック１０とが電気的に絶縁される。このことにより、締結部材９１，９１を通じてヒートシンク１１０と下部電極ブロック１０が電気的に接続されることを回避できる。
　なお、図６に示すように、下部電極ブロック１０に凹部を設けず、上部電極ブロック６０に半導体レーザ素子４０及びサブマウント２０を収容するための凹部６３を設けてもよい。下部電極ブロック１０上の前方側面近傍の所定の位置（サブマウント配設部）に半導体レーザ素子４０及びサブマウント２０が配設される。凹部６３は、上部電極ブロック６０の下面及び前方側面の一部が切り欠かれて開放されている。凹部６３の前方開放部を通して、半導体レーザ素子４０からレーザ光が出射される。また、この場合は、金属層８０は凹部６３内の上部電極ブロック６０の下面に設けられる。
　なお、下部電極ブロック１０の接続孔１３，１３及び上部電極ブロック６０の接続孔６１，６１の内面にはネジ山を設けてない。締結部材９０，９０及び９１，９１による締結の際、接続孔１３，１３や接続孔６１，６１の内面にネジ山が設けられていると、それぞれ下方に位置して連通する接続孔１１３，１１３や接続孔１２，１２に設けられたネジ山との間の加工公差等により、かえって各部材の配置関係がずれてしまうためである。
　（変形例）
　図７，８は、それぞれ、本変形例に係る半導体レーザ装置の構成を示す斜視図と上面図である。なお、説明の便宜上、図７，８において、ヒートシンク１１０と締結部材９１，９１及び９２，９２、さらに外部端子９４ａ，９４ｂの図示を省略している。
　本変形例に係る構成と実施形態に係る構成との違いは、まず、下部電極ブロック１０に、接続孔１２が１箇所追加されている点にある。追加された接続孔１２は、凹部１１の両側に位置する接続孔１２，１２の後方、つまり、レーザ光の出射方向と反対側かつ、上面視でこれらの接続孔１２，１２の間を通る直線上に配置されている。つまり、接続孔１２，１２，１２は上面視で三角形の頂点を構成するように配置されている。同様に、上部電極ブロック６０に、接続孔６１が１箇所追加されている。追加された接続孔６１は、凹部１１の両側に位置する接続孔６１，６１の後方、つまり、レーザ光の出射方向と反対側かつ、上面視でこれらの接続孔６１，６１の間を通る直線上に配置されている。つまり、接続孔６１，６１，６１は上面視で三角形の頂点を構成するように配置されている。さらに、追加された接続孔１２，６１に締結部材９０が挿通されており、締結部材９０，９０，９０を接続孔１２，１２，１２にそれぞれ螺合することにより、下部電極ブロック１０と上部電極ブロック６０とが締結される。
　また、上面視で、接続孔６１，６１，６１を結ぶ三角形の重心近傍に、上部電極ブロック６０の端子孔６２が配置されている。三角形の重心近傍とは、三角形の重心とその周囲の所定範囲とを含む。本実施の形態では、三角形の重心が端子孔６２の中心に一致する場合を、端子孔６２が三角形の重心に配置されていることとする。三角形の重心が端子孔６２の中心に一致しないが端子孔６２内に位置する場合を、端子孔６２が所定範囲に配置されていることとする。
　このような構成とすることで、締結部材９０，９０，９０により下部電極ブロック１０を上部電極ブロック６０に締結する際や、締結部材９２により外部端子９４ｂを上部電極ブロック６０に締結する際に、下部電極ブロック１０に対する上部電極ブロック６０の位置ずれが起こりにくくなる。ひいてはレンズユニット１００の位置調整を容易に行うことができる。
　なお、変形例を含む上記の実施形態において、下部電極ブロック１０の凹部１１の左右に接続孔１２，１２及び接続孔１３，１３を１箇所ずつ設けたが、左右で同じ数であれば複数設けてもよい。
　本開示に係る半導体レーザ装置は、下部電極ブロックに取り付けられた半導体レーザ素子と上部電極ブロックに取り付けられたレンズとの間の位置ずれを抑制できる。その結果、所望の形状のレーザ光を出射できる。従って、半導体レーザ装置をレーザ加工装置等に適用する上で有用である。
１　　　半導体レーザ装置
１０　　下部電極ブロック
１１　　切欠状凹部（サブマウント配設部）
１２　　接続孔（第１接続孔）
１３　　接続孔（第２接続孔）
１４　　端子孔（第１端子孔）
２０　　サブマウント
３０　　絶縁層
３１　　絶縁層
３２　　絶縁層
４０　　半導体レーザ素子
５０　　バンプ
６０　　上部電極ブロック
６１　　接続孔（第３接続孔）
６２　　端子孔（第２端子孔）
６３　　凹部
９０　　締結部材（第１締結部材）
９１　　締結部材（第２締結部材）
９２　　締結部材（第３締結部材）
９３　　ブッシュ（絶縁部材）
９４ａ，９４ｂ　外部端子
１００　レンズユニット
１０１　保持ブロック
１０２　レンズ
１１０　ヒートシンク
１１２　絶縁層
１１３　接続孔（第４接続孔）

Claims (8)

  1. 　レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、
    　上面に前記半導体レーザ素子が配設され、前記半導体レーザ素子に電気的に接続された導電材料からなるサブマウントと、
    　前記サブマウントの下側に設けられて前記サブマウントに電気的に接続され、上面に前記サブマウントを配設するためのサブマウント配設部を有し、少なくとも前記サブマウント配設部の両側に第１接続孔が設けられ、前記サブマウント配設部の両側に第２接続孔が前記第１接続孔と離間して設けられ、前記サブマウント配設部、前記第１及び第２接続孔と離間して第１端子孔が設けられた下部電極ブロックと、
    　前記下部電極ブロックの上に前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を覆うように設けられ、前記第１接続孔と連通した第３接続孔と、前記第３接続孔と離間して設けられた第２端子孔とを有し、前記半導体レーザ素子に電気的に接続され、前記下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックと、
    　上面に前記下部電極ブロックが配設され、前記第２接続孔に連通した第４接続孔を有するヒートシンクと、
    　前記上部電極ブロックに取り付けられ、前記半導体レーザ素子からの前記レーザ光を受ける光学部品とを備え、
    　前記下部電極ブロックと上部電極ブロックとは、前記第１及び第３接続孔に挿通される第１締結部材により締結され、
    　前記下部電極ブロックと前記ヒートシンクとは、前記第２及び第４接続孔に挿通される第２締結部材によって締結されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第１締結部材は絶縁材料からなるネジであり、前記第１接続孔は前記第１締結部材と螺合するためのネジ孔であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 　請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第２締結部材は金属材料からなるネジであり、前記第４接続孔は前記第２締結部材と螺合するためのネジ孔であり、絶縁部材により前記第２締結部材と前記下部電極ブロックとが電気的に絶縁されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第１及び第２端子孔にそれぞれ挿通されて締結され、前記半導体レーザ素子に電力を供給する外部端子をそれぞれ前記下部電極ブロック及び上部電極ブロックに電気的に接続する導電材料からなる第３締結部材をさらに備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 　請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第３締結部材はネジであり、前記第１及び第２端子孔は前記第３締結部材と螺合するためのネジ孔であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  6. 　請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第１接続孔は、前記サブマウント配設部の両側に１箇所ずつ設けられたものと、前記レーザ光の出射方向と反対側で前記サブマウント配設部と離間した１箇所に設けられたものとの３つからなり、上面視で、前記第１端子孔は、３つの前記第１接続孔を結ぶ三角形の重心近傍に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記サブマウント配設部は、前記レーザ光の出射方向が開放された切欠状凹部であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記上部電極ブロックの下面には、前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を収容する凹部が設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
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