WO2022097329A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2022097329A1
WO2022097329A1 PCT/JP2021/026685 JP2021026685W WO2022097329A1 WO 2022097329 A1 WO2022097329 A1 WO 2022097329A1 JP 2021026685 W JP2021026685 W JP 2021026685W WO 2022097329 A1 WO2022097329 A1 WO 2022097329A1
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WO
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semiconductor laser
laser element
heat sink
cooling fluid
laser device
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PCT/JP2021/026685
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English (en)
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伸孝 鈴木
直大 秋草
忠孝 枝村
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浜松ホトニクス株式会社
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Publication date
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    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers

Definitions

  • This disclosure relates to a semiconductor laser device.
  • Patent Document 1 Conventionally, as a semiconductor laser device provided with a heat sink, for example, there is one described in Patent Document 1.
  • the heat sink described in Patent Document 1 has a conductive first flat plate having an upper surface on which a first recess is formed, a lower surface on which a second recess is formed, and an upper surface on which a semiconductor laser element is mounted.
  • a conductive second flat plate having a It is equipped with a partition plate.
  • the refrigerant inlet extends from one of the first recess and the second recess to allow the refrigerant to flow into the heat sink.
  • the refrigerant outlet extends from the other of the first recess and the second recess to allow the refrigerant to flow out of the heat sink.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide a semiconductor laser device capable of improving the cooling efficiency of a semiconductor laser device by a heat sink.
  • the semiconductor laser apparatus includes a semiconductor laser element and a heat sink for cooling the semiconductor laser element, and the heat sink has an arrangement region on which the semiconductor laser element is arranged on the surface and a cooling fluid.
  • a supply path for guiding the cooling fluid toward the direction, a ejection hole for ejecting the cooling fluid guided by the supply path under the arrangement region, and an ejection path for guiding the cooling fluid ejected from the ejection hole toward the discharge port are provided.
  • the ejection holes are arranged along the resonance direction of the semiconductor laser element arranged in the arrangement region in the plan view of the heat sink, and the discharge path is the resonance direction of the semiconductor laser element arranged in the arrangement region in the plan view of the heat sink. It extends in the direction of intersection with.
  • ejection holes are arranged along the resonance direction of the semiconductor laser element arranged in the arrangement region. Therefore, even when the resonator length of the semiconductor laser element is relatively long, the cooling fluid can be ejected from the ejection hole toward the arrangement region with a length corresponding to the resonator length. Further, in this semiconductor laser device, the discharge path extends in a direction intersecting the resonance direction of the semiconductor laser element arranged in the arrangement region. As a result, the distance that the cooling fluid that receives heat from the arrangement region flows under the arrangement region can be suppressed. As described above, in this semiconductor laser device, the cooling efficiency of the semiconductor laser element by the heat sink can be improved.
  • the heat sink has a rectangular shape having a long side and a short side in a plan view, and the resonance direction of the semiconductor laser element arranged in the arrangement region may extend along the short side of the heat sink.
  • the arrangement structure of the semiconductor laser element with respect to the heat sink can be simplified.
  • the ejection hole may be composed of a plurality of round holes. In this case, the pressure of the cooling fluid ejected from the ejection hole is sufficiently increased, and the cooling efficiency of the semiconductor laser element can be further improved.
  • the inner wall of the ejection hole may be gold-plated.
  • the ionization of the inner wall of the ejection hole caused by the cooling fluid can be suppressed by gold plating.
  • the supply path may extend in a direction intersecting the arrangement direction of the ejection holes in the plan view of the heat sink. As a result, the pressure of the cooling liquid ejected from the ejection hole can be made uniform.
  • a spacer arranged adjacent to the heat sink may be provided, and an electrode lead electrically connected to the semiconductor laser element may be arranged between the heat sink and the spacer.
  • the electrode leads can be arranged close to the semiconductor laser device, a current pulse having a fast rise time can be input to the semiconductor laser device with low loss. Therefore, the short pulse operation of the semiconductor laser device can be realized.
  • It may be provided with a dummy bar which is arranged side by side with the semiconductor laser element arranged in the arrangement area and extends in the resonance direction of the semiconductor laser element. In this case, the stability of the posture of the heat sink or the like can be improved.
  • the semiconductor laser device may be a quantum cascade laser device. According to the configuration of this semiconductor laser device, cooling by the heat sink can be efficiently performed even when the quantum cascade laser element having a relatively long resonator length and a relatively high calorific value is arranged in the arrangement region.
  • the cooling efficiency of the semiconductor laser device by the heat sink can be improved.
  • FIG. 1 shows the 1st layer of a heat sink.
  • FIG. 2nd layer of a heat sink shows the 2nd layer of a heat sink.
  • FIG. 3rd layer of a heat sink shows the 3rd layer of a heat sink.
  • It is an enlarged plan view of the main part which shows the arrangement relation of a heat sink and a semiconductor laser element.
  • It is an enlarged sectional view of the main part which shows the arrangement relationship of a heat sink and a semiconductor laser element.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor laser device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the semiconductor laser device 1 has a configuration in which a structure 11 including a semiconductor laser element 12 and a heat sink 13 is supported by a holder 2.
  • the emission direction of the laser beam L from the semiconductor laser element 12 is the X direction
  • the direction orthogonal to the X direction in the horizontal plane of FIG. 1 is the Y direction
  • the stacking direction of each component in the structure 11 is the Z direction.
  • the viewpoint from the Z direction corresponds to the plan view in the present disclosure.
  • the holder 2 is composed of a bottom plate 3, a side plate 4, and a top plate 5.
  • Examples of the material for forming the holder 2 include aluminum and stainless steel (SUS).
  • the bottom plate 3 and the top plate 5 have a rectangular shape with the X direction as the short side and the Y direction as the long side when viewed from the Z direction.
  • the bottom plate 3 is provided with a supply port for supplying the cooling fluid R described later to the structure 11 and a discharge port for discharging the cooling fluid R from the structure 11 (supply port of the bottom plate 3). And the discharge port are not shown).
  • the side plate 4 has a rectangular shape, and is arranged so as to connect the edges on one long side of the bottom plate 3 and the top plate 5.
  • the height of the side plate 4 corresponds to the height of the structure 11.
  • the structure 11 is sandwiched by the bottom plate 3 and the top plate 5 in the stacking direction of each component.
  • the length of the side plate 4 in the Y direction is smaller than the length of the long sides of the bottom plate 3 and the top plate 5.
  • the structure 11 is aligned with one short side of the bottom plate 3 and the top plate 5, and the side plate 4 is aligned with the other short side of the bottom plate 3 and the top plate 5.
  • the holder 2 is formed with a notch portion 6 that exposes a part of the structure 11 on one surface side (a portion including the emission surface 12a of the semiconductor laser element 12) when viewed from the X direction.
  • the laser beam L emitted from the emission surface 12a of the semiconductor laser element 12 is emitted in the X direction through the notch portion 6.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a structure including a semiconductor laser element and a heat sink.
  • FIG. 3 is a front view of the structure shown in FIG.
  • the structure 11 includes a semiconductor laser element 12, a pair of upper and lower heat sinks 13 and 13, a pair of upper and lower spacers 14 and 14, and a pair of electrode leads 15 and 15. It is configured to include the sealing members 16 and 22.
  • the semiconductor laser element 12 is sandwiched between a pair of submounts 18 and 18 together with a dummy bar 17.
  • the pair of submounts 18 and 18 are sandwiched between the pair of heat sinks 13 and 13 together with the sealing member 16.
  • the pair of heat sinks 13 and 13 are sandwiched between the pair of spacers 14 and 14 together with the electrode leads 15 and 15 and the sealing member 16.
  • a spacer 19 for eliminating the difference in thickness between the sealing member 16 is superposed on the electrode lead 15 between the upper heat sink 13 and the upper spacer 14.
  • the spacer 19 is not overlapped on the electrode lead 15 between the lower heat sink 13 and the lower spacer 14, and the lower spacer 14 is sealed corresponding to the arrangement area of the electrode lead 15.
  • a step portion 20 corresponding to the difference in thickness between the stop member 16 and the stop member 16 is provided.
  • the pair of spacers 14, 14 are sandwiched between the pair of sealing members 22, 22.
  • the pair of sealing members 22, 22 are members at both ends of the structure 11 in the Z direction.
  • the pair of sealing members 22, 22 are sandwiched between the bottom plate 3 and the top plate 5 of the holder 2.
  • the semiconductor laser element 12 exemplifies a quantum cascade laser (QCL) element 21.
  • the quantum cascade laser element 21 has an active layer and a resonator structure for light having a predetermined wavelength generated by the active layer.
  • the quantum cascade laser element 21 has a pair of end faces provided so as to face each other in the resonance direction of the resonator.
  • a reflective film is provided on each of the pair of end faces.
  • the reflective film on one end face is configured to include, for example, an Au film.
  • the reflectance of the reflective film with respect to the laser oscillation light oscillated in the resonator is, for example, 40% or more and 99% or less.
  • the reflective film on the other end face is configured to include, for example, an Au film.
  • the reflectance of the reflective film with respect to the laser oscillation light oscillated in the resonator is higher than the reflectance of the reflective film on one end face.
  • the laser oscillating light oscillated in the resonator is emitted to the outside as laser light L from one end face side.
  • the resonator length of the quantum cascade laser element 21 is several times longer than the resonator length of, for example, a GaAs-based semiconductor laser element.
  • the resonator length of the GaAs-based semiconductor laser is, for example, about 0.5 mm, while the resonator length of the quantum cascade laser element 21 is, for example, about 3 mm.
  • the operation mode in which the optical output can be taken out most efficiently is the pseudo CW (Quasi Continuous Wave: QCW) drive with short pulse and high repetition. In order to realize this operation mode, it is important to inject a current pulse having a relatively fast rise time into the quantum cascade laser element 21 with low loss.
  • the spacer 14 is a member that adjusts the length of the structure 11 in the Z direction.
  • the upper spacer 14 and the lower spacer 14 are formed of, for example, copper and have a rectangular shape.
  • the upper spacer 14 and the lower spacer 14 have a rectangular shape with the X direction as the short side and the Y direction as the long side when viewed from the Z direction.
  • the thickness of the upper spacer 14 and the lower spacer 14 in the Z direction is sufficiently larger than the thickness of the heat sink 13 in the Z direction.
  • the thicknesses of the upper spacer 14 and the lower spacer 14 in the Z direction are equal to each other except for the above-mentioned step portion 20.
  • the thicknesses of the upper spacer 14 and the lower spacer 14 in the Z direction may be different from each other.
  • the heat sink 13 is a so-called microchannel type heat sink in which a flow path of a cooling fluid is internally formed up to the vicinity of a heating element to be cooled. Further, the heat sink 13 is a jet type heat sink in which a cooling fluid is jetted toward the heating element directly under the heating element.
  • the jet method is a method that applies the principle of a water gun. In this method, a flow path having a relatively large cross-sectional area to just below the heating element is used, and the cooling fluid is ejected toward the heating element from the ejection hole provided directly under the heating element. The detailed configuration of the heat sink 13 will be described later.
  • the electrode lead 15 is a portion for inputting a driving signal to the quantum cascade laser element 21, and is electrically connected to the quantum cascade laser element 21.
  • the electrode lead 15 has a thin plate shape having a width similar to, for example, the width of the submount 18 (width in the Y direction).
  • the base end side of the electrode lead 15 is drawn out from the structure 11 in the direction opposite to the emission direction of the laser beam L in the X direction.
  • the tip end side of the electrode lead 15 is located between the pair of heat sinks 13 and 13 and the pair of spacers 14 and 14 in the structure 11, and the electrode lead 15 and the quantum cascade laser element 21 are in close proximity to each other in the structure 11. It is an arrangement. This makes it possible to inject a current pulse having a rise time of, for example, 50 ns or less into the quantum cascade laser device 21 with low loss.
  • the sealing member 16 is a member that seals between the pair of heat sinks 13 and 13 and between the heat sink 13 and the spacer 14.
  • Each sealing member 16 is formed in a thin plate shape by, for example, silicone rubber.
  • Each sealing member 16 has a rectangular shape with the X direction as the short side and the Y direction as the long side when viewed from the Z direction.
  • the thickness of each sealing member 16 in the Z direction is, for example, about the same as the thickness of the pair of submounts 18 and 18 in the state of holding the quantum cascade laser element 21 in the Z direction.
  • the length of the long side of each sealing member 16 is smaller than the length of the long side of the spacer 14.
  • Each sealing member 16 is interposed between the pair of heat sinks 13 and 13 and between the heat sink 13 and the spacer 14 in the space excluding the arrangement portion of the quantum cascade laser element 21 and the electrode leads 15 and 15, respectively. ..
  • the sealing member 22 is formed in a thin plate shape by, for example, silicone rubber.
  • the sealing member 22 When viewed from the Z direction, the sealing member 22 has a rectangular shape with the X direction as the short side and the Y direction as the long side.
  • the thickness of the sealing member 22 in the Z direction is about the same as the thickness of the sealing member 16 in the Z direction.
  • the shape of the sealing member 22 seen from the Z direction is equal to the shape of the spacer 14 seen from the Z direction.
  • the sealing member 22 is interposed between the lower spacer 14 and the bottom plate 3 and between the upper spacer 14 and the top plate 5, respectively.
  • Each of the sealing members 16, 22, the heat sinks 13, 13 and the lower spacer 14 except for the sealing member 22 between the upper spacer 14 and the top plate 5 has a cooling fluid in the structure 11.
  • Each supply port 32 and each discharge port 34 have a circular cross section having the same diameter as each other, and penetrate each member in the Z direction.
  • Each supply port 32 and each discharge port 34 are arranged apart from each other in the Y direction, and each supply port 32 is located closer to the quantum cascade laser element 21 than each discharge port 34 when viewed from the Z direction. ing.
  • the sealing member 16, the heat sinks 13, 13 and the lower spacer 14 are arranged in the Z direction with the positions of the supply port 32 and the discharge port 34 aligned, so that the supply pipe 31 and the supply pipe 31 and the lower spacer 14 are arranged.
  • the discharge pipe 33 is formed.
  • the supply pipe 31 and the discharge pipe 33 communicate with the supply port and the discharge port of the bottom plate 3 of the holder 2 so that the cooling fluid R can be supplied from the outside and the cooling fluid R can be discharged to the outside.
  • the cooling fluid R supplied to the inside of the structure 11 through the supply pipe 31 is supplied to the inside of the pair of heat sinks 13 and 13, respectively.
  • the cooling fluid R is ejected from the ejection hole 46 (see FIG. 8) directly under the quantum cascade laser element 21 to cool the quantum cascade laser element 21 located between the pair of heat sinks 13 and 13. do.
  • the cooling fluid R used for cooling the quantum cascade laser element 21 is discharged from the inside of the pair of heat sinks 13 to the outside of the structure 11 through the discharge pipe 33.
  • Positioning holes 35 are provided in each of the sealing member 16, the pair of heat sinks 13, 13 and the pair of spacers 14, 14.
  • Each positioning hole 35 has a circular cross section with a smaller diameter than each supply port 32 and each discharge port 34, and penetrates each member in the Z direction.
  • Each positioning hole 35 is located between each supply port 32 and each discharge port 34 in the Y direction.
  • FIG. 4 is a perspective view of the heat sink.
  • the heat sink 13 includes, for example, a thin plate-shaped main body 41 made of copper.
  • the main body 41 has a rectangular shape with the X direction as the short side and the Y direction as the long side when viewed from the Z direction.
  • the length of the short side and the length of the long side in the main body 41 are the same as the length of the short side and the length of the long side in the upper spacer 14 and the lower spacer 14.
  • the thickness of the main body 41 in the Z direction may be, for example, about the same as the thickness of each sealing member 16 in the Z direction, or may be larger than the thickness of each sealing member 16 in the Z direction. ..
  • the main body 41 is provided with the above-mentioned supply port 32, discharge port 34, and positioning hole 35, respectively.
  • the supply port 32, the discharge port 34, and the positioning hole 35 are formed so as to penetrate the main body 41 in the Z direction.
  • An arrangement region P of the quantum cascade laser element 21 is provided on one end surface 41a of the main body 41 in the Z direction.
  • the arrangement area P is provided with a constant width along the edge on one short side of the main body 41 when viewed from the Z direction, and is provided from the edge on one long side of the main body 41 to the other long side. It extends toward the edge.
  • a supply passage 45 that guides the cooling fluid R supplied from the supply port 32 side toward the arrangement region P and a cooling fluid R guided by the supply passage 45 are ejected under the arrangement region P.
  • An ejection hole 46 for causing the cooling fluid R to be ejected and a discharge path 48 for guiding the cooling fluid R ejected from the ejection hole 46 toward the discharge port 34 are provided.
  • the main body 41 In forming the supply path 45, the ejection hole 46, and the discharge path 48 as a series of flow paths in the main body 41, the main body 41 has a first layer 42 and a second layer 42 as shown in FIGS. 5 to 7. It has a three-layer structure consisting of a layer 43 and a third layer 44.
  • the first layer 42 to the third layer 44 are plate-shaped members in which, for example, Ni plating and Au plating are applied to the surface of a copper plate.
  • AuSn solder is used for joining each layer.
  • the first layer 42 has a plurality of supply channels 45.
  • four supply paths 45 are connected to the supply port 32.
  • the four supply paths 45 extend in the Y direction from the supply port 32 toward one short side while expanding in the X direction.
  • These supply paths 45 are bifurcated on the way to one short side, and on one short side, eight supply paths 45 extend in the Y direction.
  • the tips of the eight supply paths 45 extend to a position overlapping the arrangement region P when viewed from the Z direction, and are aligned with each other slightly inside the edge on one short side.
  • the second layer 43 has a plurality of ejection holes 46.
  • each of the plurality of ejection holes 46 is composed of round holes 47, and has a cross-sectional area sufficiently smaller than the cross-sectional area of the eight supply paths 45.
  • the plurality of ejection holes 46 are arranged so as to overlap the tips of the eight supply passages 45 when viewed from the Z direction.
  • two ejection holes 46 communicate with the tip of one supply path 45, and a total of 16 ejection holes 46 are arranged in the X direction along one short side. There is.
  • the inner wall of the ejection hole 46 is coated with gold plating C (see FIG. 9) over the entire surface.
  • the ejection hole 46 may be any as long as it ejects the cooling fluid R under the arrangement region P, and does not necessarily have to be located directly below the quantum cascade laser element 21. As long as the cooling effect of the cooling fluid R is within the range, a certain deviation between the quantum cascade laser element 21 and the ejection hole 46 can be tolerated.
  • the third layer 44 has a plurality of discharge paths 48.
  • four discharge passages 48 are connected to the discharge port 34.
  • the four discharge passages 48 extend in the Y direction from the discharge port 34 toward one short side so as to go around the supply port 32 and the positioning hole 35.
  • These discharge paths 48 are bifurcated on the way to one short side, and eight discharge paths 48 extend in the Y direction on one short side.
  • the tips of the eight discharge paths 48 extend to a position overlapping the arrangement region P when viewed from the Z direction, and are aligned with each other slightly inside the edge on one short side.
  • two ejection holes 46 communicate with the tip of one discharge passage 48.
  • FIG. 8 is an enlarged plan view of a main part showing the arrangement relationship between the heat sink and the semiconductor laser element.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the main part thereof. As shown in FIGS. 8 and 9, the quantum cascade laser element 21 and the dummy bar 17 sandwiched between the pair of submounts 18 and 18 are arranged in the arrangement region P in the main body 41 of the heat sink 13.
  • the submount 18 has a rectangular shape with the X direction as the long side and the Y direction as the short side when viewed from the Z direction.
  • the edge on one short side of the submount 18 is aligned with the edge on the long side of one of the main body 41 in the arrangement area P.
  • the one long side edge of the submount 18 is aligned with the one short side edge of the main body 41 in the arrangement area P.
  • the length of the long side of the submount 18 is smaller than the length of the short side of the main body 41. Therefore, the sub-mount 18 is in a state of overlapping with the supply path 45 and the discharge path 48 from the first to the seventh from one long side of the main body 41 when viewed from the Z direction.
  • the quantum cascade laser element 21 is sandwiched between the submounts 18 and 18 so that the emission surface 12a of the laser beam L is aligned with the edge of the long side on one side of the main body 41.
  • the quantum cascade laser element 21 is arranged at a position overlapping the ejection hole 46 when viewed from the Z direction.
  • the quantum cascade laser element 21 overlaps with the first and second supply paths 45 and discharge paths 48 from one long side of the main body 41, and these supply paths 45 and discharge paths 48. It is located directly above the four ejection holes 46 corresponding to the above.
  • the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 coincides with the emission direction of the laser beam L and extends along one short side of the main body 41. Therefore, when viewed from the Z direction, the ejection hole 46 of the heat sink 13 is arranged along the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P. Further, when viewed from the Z direction, the supply path 45 and the discharge path 48 extend in a direction intersecting the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P. In the example of FIG. 8, the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 extends along the X direction, and the plurality of ejection holes 46 extend in the X direction in parallel with the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21. It is arranged. Further, the supply path 45 and the discharge path 48 extend in the Y direction orthogonal to the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21.
  • the dummy bar 17 has the same shape as the quantum cascade laser element 21 when viewed from the X direction, and is arranged between the submounts 18 and 18 so as to be separated from the quantum cascade laser element 21 in the Y direction.
  • the dummy bar 17 extends in the resonance direction of the quantum cascade laser element 21.
  • the dummy bar 17 has a length equal to the length of the long side of the submount 18 and extends in the X direction in parallel with the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21.
  • the extending direction of the dummy bar 17 is parallel to the arrangement direction of the plurality of ejection holes 46, and is orthogonal to the extending direction of the supply path 45 and the discharge path 48.
  • the ejection holes are arranged along the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P. Therefore, even when the resonator length of the quantum cascade laser element 21 is relatively long, the cooling fluid R from the ejection hole 46 can be ejected toward the arrangement region P with a length corresponding to the resonator length. Further, in the semiconductor laser device 1, the discharge path 48 extends in a direction intersecting the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P. As a result, the distance that the cooling fluid R that has received heat from the arrangement region P flows under the arrangement region P can be suppressed. Therefore, in the semiconductor laser device 1, the cooling efficiency of the quantum cascade laser element 21 by the heat sink 13 can be improved.
  • the heat sink 13 has a rectangular shape having a long side and a short side when viewed from the Z direction, and the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P is the short side of the heat sink 13. It extends along.
  • the arrangement structure of the quantum cascade laser element 21 with respect to the heat sink 13 can be simplified. Further, it is possible to secure a relatively large space in the long side direction of the heat sink 13, and even when the resonator length is long as in the quantum cascade laser element 21, the sealing that seals the flow path of the cooling fluid R. It is possible to easily secure an arrangement space for the stop member 16 and the like.
  • the ejection hole 46 is composed of a plurality of round holes 47.
  • the pressure of the cooling fluid R ejected from the ejection hole 46 is sufficiently increased, and the cooling efficiency of the quantum cascade laser element 21 can be further improved.
  • gold plating C is applied to the inner wall of the ejection hole 46. By applying the gold plating C, it is possible to suppress the ionization of the inner wall of the ejection hole 46 due to the cooling fluid R. As a result, it is possible to prevent the pressure of the cooling fluid R ejected from the ejection hole 46 from decreasing due to the expansion of the diameter of the ejection hole 46 over time.
  • the supply path 45 extends in the direction intersecting the arrangement direction of the ejection holes 46 when viewed from the Z direction.
  • the pressure of the cooling liquid ejected from the ejection hole located on the tip side of the supply path is applied from the ejection hole located on the base end side of the supply path. It is considered that the pressure is weaker than the pressure of the cooling liquid that is ejected.
  • the structure 11 is provided with spacers 14 and 14 arranged adjacent to the heat sink 13.
  • An electrode lead 15 electrically connected to the quantum cascade laser element 21 is arranged between the heat sink 13 and the spacer 14. According to such a configuration, since the electrode lead 15 can be arranged close to the quantum cascade laser element 21, a current pulse having a fast rise time can be input to the quantum cascade laser element 21 with low loss. Therefore, the short pulse operation of the quantum cascade laser element 21 can be realized, and the light output extraction efficiency of the quantum cascade laser element 21 can be improved.
  • a dummy bar 17 is arranged between the pair of submounts 18 and 18 along with the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P.
  • the dummy bar 17 extends in the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21.
  • the semiconductor laser element 12 is a quantum cascade laser element 21. According to the configuration of the semiconductor laser device 1, even when the quantum cascade laser element 21 having a relatively long resonator length and a relatively high calorific value is arranged in the arrangement region P, cooling by the heat sink 13 can be efficiently performed.
  • the present disclosure is not limited to the above embodiment.
  • the quantum cascade laser element 21 is exemplified as the semiconductor laser element 12, but the semiconductor laser element 12 arranged in the arrangement region P is the quantum cascade laser element 21 like, for example, a GaAs-based semiconductor laser element. It may be another semiconductor laser device having a smaller resonator length and a smaller calorific value than the above. According to the configuration of the semiconductor laser device 1, even when such other semiconductor laser elements are arranged in the arrangement region P, cooling by the heat sink 13 can be efficiently performed.
  • the ejection hole 46 is composed of a plurality of round holes 47, but as shown in FIG. 10, the ejection hole 46 may be composed of a long hole 50.
  • the width of the elongated hole 50 in the Y direction is about the same as the diameter of the round hole 47 described above.
  • the extending direction of the elongated hole 50 seen from the Z direction is along the resonance direction D of the quantum cascade laser element 21 arranged in the arrangement region P. Further, the extending direction of the elongated hole 50 seen from the Z direction is orthogonal to the extending direction of the supply path 45 and the discharge path 48. Also in such an embodiment, the cooling efficiency of the quantum cascade laser element 21 by the heat sink 13 can be improved as in the above embodiment.
  • the cooling fluid R supplied to the inside of the structure 11 through the supply pipe 31 is supplied to the inside of the pair of heat sinks 13 and 13, respectively, but as shown in FIG. 11, one of them is supplied.
  • the cooling fluid R may be supplied only to the inside of the heat sink 13.
  • only the positioning hole 35 is provided in the sealing member 16 between the heat sinks 13 and 13, the upper heat sink 13, and the sealing member 16 between the upper heat sink 13 and the upper spacer 14. There is.
  • the cooling fluid R supplied from the supply pipe 31 to the inside of the structure 11 is supplied only to the inside of the lower heat sink 13. Also in such an embodiment, the cooling efficiency of the quantum cascade laser element 21 by the heat sink 13 can be improved as in the above embodiment.

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Abstract

半導体レーザ装置１では、ヒートシンク１３の本体部４１内に、供給口３２側から供給された冷却用流体Ｒを配置領域Ｐに向けて導く供給路４５と、供給路４５によって導かれた冷却用流体Ｒを配置領域Ｐ下で噴出させる噴出孔４６と、噴出孔４６から噴出した冷却用流体Ｒを排出口３４に向けて導く排出路４８とが設けられている。噴出孔４６は、配置領域Ｐに配置された半導体レーザ素子１２の共振方向Ｄに沿って配置され、排出路４８は、配置領域Ｐに配置された半導体レーザ素子１２の共振方向Ｄと交差する方向に延在している。

Description

半導体レーザ装置
　本開示は、半導体レーザ装置に関する。
　従来、ヒートシンクを備えた半導体レーザ装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載されているヒートシンクは、第１の凹部が形成された上面を有する導電性の第１の平板と、第２の凹部が形成された下面及び半導体レーザ素子が搭載される上面を有する導電性の第２の平板と、第１の凹部を覆う下面、第２の凹部を覆う上面、および第１の凹部を第２の凹部に連通させる一つ以上の貫通孔を有する導電性の仕切り板とを備えている。冷媒流入口は、第１凹部及び第２の凹部の一方から延在し、当該ヒートシンクに冷媒を流入させる。冷媒流出口は、第１凹部及び第２の凹部の他方から延在し、当該ヒートシンクから冷媒を流出させる。
特開２００６－３５２０１９号公報
　上述のような半導体レーザ装置では、ヒートシンクによる半導体レーザ素子の冷却効率の向上が重要な要素となっている。半導体レーザ素子の冷却効率の向上には、ヒートシンクにおいて冷却流体の供給口から排出口に至る一連の内部経路の構成を工夫する必要がある。半導体レーザ装置では、例えば量子カスケードレーザ素子のように、比較的長い共振器長及び比較的高い発熱量を有するレーザ素子が搭載されることも考えられる。このため、半導体レーザ素子の配置態様を考慮した上で、ヒートシンクにおける一連の内部経路の構成を検討することが重要となる。
　本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、ヒートシンクによる半導体レーザ素子の冷却効率の向上が図られる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を冷却するヒートシンクと、を備え、ヒートシンクは、半導体レーザ素子が配置された配置領域を表面に有すると共に、冷却用流体が供給される供給口及び冷却用流体を排出する排出口が配置領域から離間して設けられた本体部を有し、本体部内には、供給口側から供給された冷却用流体を配置領域に向けて導く供給路と、供給路によって導かれた冷却用流体を配置領域下で噴出させる噴出孔と、噴出孔から噴出した冷却用流体を排出口に向けて導く排出路と、が設けられ、噴出孔は、ヒートシンクの平面視において、配置領域に配置された半導体レーザ素子の共振方向に沿って配置され、排出路は、ヒートシンクの平面視において、配置領域に配置された半導体レーザ素子の共振方向と交差する方向に延在している。
　この半導体レーザ装置では、配置領域に配置された半導体レーザ素子の共振方向に沿って噴出孔が配置されている。このため、半導体レーザ素子の共振器長が比較的長い場合であっても、共振器長に応じた長さで噴出孔からの冷却用流体を配置領域に向けて噴出できる。また、この半導体レーザ装置では、配置領域に配置された半導体レーザ素子の共振方向と交差する方向に排出路が延在している。これにより、配置領域から熱を受けた冷却用流体が配置領域下を流れる距離を抑えることができる。以上により、この半導体レーザ装置では、ヒートシンクによる半導体レーザ素子の冷却効率の向上が図られる。
　ヒートシンクは、平面視において長辺及び短辺を有する長方形状をなしており、配置領域に配置された半導体レーザ素子の共振方向は、ヒートシンクの短辺に沿って延在していてもよい。半導体レーザ素子の共振方向をヒートシンクの短辺に沿わせることで、ヒートシンクに対する半導体レーザ素子の配置構造を簡単化できる。また、ヒートシンクの長辺方向に比較的大きなスペースを確保することが可能となり、半導体レーザ素子の共振器長が長くなる場合でも、冷却用流体の流路を封止する封止部材などの配置スペースを容易に確保できる。
　噴出孔は、複数の丸孔によって構成されていてもよい。この場合、噴出孔から噴出する冷却用流体の圧力が十分に高められ、半導体レーザ素子の冷却効率をより向上させることができる。
　噴出孔の内壁には、金メッキが施されていてもよい。この場合、冷却用流体に起因する噴出孔の内壁のイオン化を金メッキによって抑制できる。これにより、噴出孔の経時的な拡径によって噴出孔から噴出する冷却用流体の圧力が低下してしまうことを抑制できる。
　供給路は、ヒートシンクの平面視において、噴出孔の配置方向に交差する方向に延在していてもよい。これにより、噴出孔から噴出する冷却用液体の圧力の均一化が図られる。
　ヒートシンクに隣接して配置されたスペーサを備え、ヒートシンクとスペーサとの間には、半導体レーザ素子に電気的に接続された電極リードが配置されていてもよい。この場合、電極リードを半導体レーザ素子に近接して配置できるため、立ち上がり時間の早い電流パルスを半導体レーザ素子に対して低損失で入力できる。したがって、半導体レーザ素子の短パルス動作を実現できる。
　配置領域に配置された半導体レーザ素子と並んで配置され、半導体レーザ素子の共振方向に延在するダミーバーを備えていてもよい。この場合、ヒートシンク等の姿勢の安定性を高めることができる。
　半導体レーザ素子は、量子カスケードレーザ素子であってもよい。この半導体レーザ装置の構成によれば、比較的長い共振器長及び比較的高い発熱量を有する量子カスケードレーザ素子を配置領域に配置する場合でも、ヒートシンクによる冷却を効率良く実施できる。
　本開示によれば、ヒートシンクによる半導体レーザ素子の冷却効率の向上が図られる。
本開示の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示す斜視図である。 半導体レーザ素子及びヒートシンクを含む構造体を示す分解斜視図である。 図２に示した構造体の正面図である。 ヒートシンクの斜視図である。 ヒートシンクの第１層を示す平面図である。 ヒートシンクの第２層を示す平面図である。 ヒートシンクの第３層を示す平面図である。 ヒートシンクと半導体レーザ素子との配置関係を示す要部拡大平面図である。 ヒートシンクと半導体レーザ素子との配置関係を示す要部拡大断面図である。 半導体レーザ素子及びヒートシンクを含む構造体の変形例を示す正面図である。 ヒートシンクの変形例を示す要部拡大平面図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る半導体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示す斜視図である。図１に示すように、半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子１２及びヒートシンク１３を含む構造体１１をホルダ２で支持した構成を有している。以下の説明では、半導体レーザ素子１２からのレーザ光Ｌの出射方向をＸ方向、図１の水平面内においてＸ方向に直交する方向をＹ方向、構造体１１における各構成要素の積層方向をＺ方向とする。Ｚ方向からの視点は、本開示における平面視に相当する。
　ホルダ２は、底板３と、側板４と、天板５とによって構成されている。ホルダ２の形成材料としては、例えばアルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）などが挙げられる。底板３及び天板５は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を短辺とし、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。底板３には、後述する冷却用流体Ｒを構造体１１に供給するための供給口、及び冷却用流体Ｒを構造体１１から排出するための排出口が設けられている（底板３の供給口及び排出口は、いずれも不図示）。側板４は、矩形状をなし、底板３及び天板５における一方の長辺側の縁部同士を繋ぐように配置されている。側板４の高さは、構造体１１の高さに対応している。構造体１１は、底板３及び天板５によって各構成要素の積層方向に挟持されている。
　側板４のＹ方向の長さは、底板３及び天板５の長辺の長さよりも小さくなっている。ホルダ２をＸ方向から見た場合、構造体１１は、底板３及び天板５の一方の短辺に揃えて配置され、側板４は、底板３及び天板５の他方の短辺に揃えて配置されている。側板４の偏在により、ホルダ２には、Ｘ方向から見て構造体１１の一面側の一部（半導体レーザ素子１２の出射面１２ａを含む部分）を露出させる切欠部分６が形成されている。半導体レーザ素子１２の出射面１２ａから出射するレーザ光Ｌは、切欠部分６を通ってＸ方向に出射する。
　図２は、半導体レーザ素子及びヒートシンクを含む構造体を示す分解斜視図である。図３は、図２に示した構造体の正面図である。図２及び図３に示すように、構造体１１は、半導体レーザ素子１２と、上下一対のヒートシンク１３，１３と、上下一対のスペーサ１４，１４と、一対の電極リード１５，１５と、複数の封止部材１６，２２とを含んで構成されている。
　半導体レーザ素子１２は、ダミーバー１７と共に一対のサブマウント１８，１８間に挟持されている。一対のサブマウント１８，１８は、封止部材１６と共に一対のヒートシンク１３，１３間に挟持されている。一対のヒートシンク１３，１３は、電極リード１５，１５及び封止部材１６と共に一対のスペーサ１４，１４間に挟持されている。
　上側のヒートシンク１３と上側のスペーサ１４との間の電極リード１５には、封止部材１６との間の厚さの差を解消するためのスペーサ１９が重ねられている。下側のヒートシンク１３と下側のスペーサ１４との間の電極リード１５には、スペーサ１９が重ねられておらず、下側のスペーサ１４には、電極リード１５の配置領域に対応して、封止部材１６との間の厚さの差に相当する段部２０が設けられている。一対のスペーサ１４，１４は、一対の封止部材２２，２２間に挟持されている。一対の封止部材２２，２２は、構造体１１におけるＺ方向の両端の部材である。一対の封止部材２２，２２は、ホルダ２の底板３及び天板５に挟持されている。
　半導体レーザ素子１２は、本実施形態では、量子カスケードレーザ（Quantum cascade laser：ＱＣＬ）素子２１を例示する。量子カスケードレーザ素子２１は、活性層と、当該活性層で生成される所定波長の光に対する共振器構造とを有している。量子カスケードレーザ素子２１は、共振器の共振方向に対向して設けられた一対の端面を有している。一対の端面には、それぞれ反射膜が設けられている。一方の端面の反射膜は、例えばＡｕ膜を含んで構成されている。共振器内で発振するレーザ発振光に対する当該反射膜の反射率は、例えば４０％以上９９％以下となっている。他方の端面の反射膜は、例えばＡｕ膜を含んで構成されている。共振器内で発振するレーザ発振光に対する当該反射膜の反射率は、一方の端面の反射膜における反射率よりも高くなっている。これにより、共振器内で発振するレーザ発振光は、一方の端面側からレーザ光Ｌとして外部に出射する。
　量子カスケードレーザ素子２１の共振器長は、例えばＧａＡｓ系の半導体レーザ素子などの共振器長と比較して数倍程度長くなっている。ＧａＡｓ系の半導体レーザの共振器長は、例えば０．５ｍｍ程度であるのに対し、量子カスケードレーザ素子２１の共振器長は、例えば３ｍｍ程度となっている。量子カスケードレーザ素子２１において、最も効率良く光出力を取り出せる動作モードは、短パルス高繰り返しの疑似ＣＷ（Quasi Continuous Wave:ＱＣＷ）駆動である。この動作モードを実現するためには、立ち上がり時間の比較的早い電流パルスを量子カスケードレーザ素子２１に対して低損失で注入することが重要となっている。
　スペーサ１４は、構造体１１のＺ方向の長さを調整する部材である。上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４は、例えば銅によって形成され、長方形状をなしている。上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を短辺とし、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４のＺ方向の厚さは、ヒートシンク１３のＺ方向の厚さに対して十分大きくなっている。本実施形態では、上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４のＺ方向の厚さは、上述した段部２０の箇所を除いて互いに等しくなっている。上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４のＺ方向の厚さは、互いに異なっていてもよい。
　ヒートシンク１３は、冷却対象である発熱体の近傍まで冷却用流体の流路が内部形成された、いわゆるマイクロチャネル方式のヒートシンクである。また、ヒートシンク１３は、発熱体の直下において冷却用流体を発熱体に向けて噴流させる噴流方式のヒートシンクである。噴流方式は、水鉄砲の原理を応用した方式である。この方式では、発熱体の直下まで断面積が比較的大きい流路を用い、発熱体の直下に設けた噴出孔から発熱体に向けて冷却用流体を噴出する。ヒートシンク１３の詳細構成は、後述する。
　電極リード１５は、量子カスケードレーザ素子２１に駆動用信号を入力する部分であり、量子カスケードレーザ素子２１に電気的に接続されている。電極リード１５は、例えばサブマウント１８の幅（Ｙ方向の幅）と同程度の幅を有する薄板状をなしている。電極リード１５の基端側は、Ｘ方向についてレーザ光Ｌの出射方向と反対の向きに構造体１１から引き出されている。電極リード１５の先端側は、構造体１１において一対のヒートシンク１３，１３と一対のスペーサ１４，１４との間に位置しており、構造体１１において電極リード１５と量子カスケードレーザ素子２１とが近接配置となっている。これにより、例えば５０ｎｓ以下の立ち上がり時間を有する電流パルスを量子カスケードレーザ素子２１に対して低損失で注入することが可能となっている。
　封止部材１６は、一対のヒートシンク１３，１３間、及びヒートシンク１３とスペーサ１４との間を封止する部材である。各封止部材１６は、例えばシリコーンゴムによって薄板状に形成されている。各封止部材１６は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を短辺とし、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。各封止部材１６のＺ方向の厚さは、例えば量子カスケードレーザ素子２１を保持した状態での一対のサブマウント１８，１８のＺ方向の厚さと同程度となっている。各封止部材１６の長辺の長さは、スペーサ１４の長辺の長さよりも小さくなっている。各封止部材１６は、量子カスケードレーザ素子２１及び電極リード１５，１５の配置部分を除いたスペースにおいて、一対のヒートシンク１３，１３間、及びヒートシンク１３とスペーサ１４との間にそれぞれ介在している。
　封止部材２２は、封止部材１６と同様に、例えばシリコーンゴムによって薄板状に形成されている。封止部材２２は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を短辺とし、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。封止部材２２のＺ方向の厚さは、封止部材１６のＺ方向の厚さと同程度となっている。Ｚ方向から見た封止部材２２の形状は、Ｚ方向から見たスペーサ１４の形状と等しくなっている。封止部材２２は、下側のスペーサ１４と底板３との間、及び上側のスペーサ１４と天板５との間にそれぞれ介在している。
　上側のスペーサ１４と天板５との間の封止部材２２を除く各封止部材１６，２２、ヒートシンク１３，１３、及び下側のスペーサ１４のそれぞれには、構造体１１内に冷却用流体Ｒを供給するための供給管３１（図３参照）を形成する供給口３２と、構造体１１から冷却用流体Ｒを排出するための排出管３３（図３参照）を形成する排出口３４とが設けられている。各供給口３２及び各排出口３４は、互いに同径の断面円形をなし、Ｚ方向に各部材を貫通している。各供給口３２と各排出口３４とは、Ｙ方向に互いに離間して配置されており、各供給口３２は、Ｚ方向から見て各排出口３４よりも量子カスケードレーザ素子２１側に位置している。
　構造体１１において、各供給口３２及び各排出口３４の位置を合わせた状態で封止部材１６、ヒートシンク１３，１３、及び下側のスペーサ１４をＺ方向に配置することにより、供給管３１及び排出管３３が形成されている。供給管３１及び排出管３３は、ホルダ２の底板３の供給口及び排出口と連通し、外部からの冷却用流体Ｒの供給及び外部への冷却用流体Ｒの排出が可能となっている。一対のヒートシンク１３，１３間、及びヒートシンク１３とスペーサ１４との間に封止部材１６がそれぞれ介在することで、構造体１１内からの冷却用流体Ｒの漏出防止が図られている。
　図３に示すように、供給管３１を通って構造体１１の内部に供給された冷却用流体Ｒは、一対のヒートシンク１３，１３の内部にそれぞれ供給される。ヒートシンク１３，１３の内部では、量子カスケードレーザ素子２１の直下において冷却用流体Ｒが噴出孔４６（図８参照）から噴出し、一対のヒートシンク１３，１３間に位置する量子カスケードレーザ素子２１を冷却する。量子カスケードレーザ素子２１の冷却に用いられた冷却用流体Ｒは、一対のヒートシンク１３の内部から排出管３３を通って構造体１１の外部に排出される。
　各封止部材１６、一対のヒートシンク１３，１３、及び一対のスペーサ１４，１４のそれぞれには、位置決め孔３５が設けられている。各位置決め孔３５は、各供給口３２及び各排出口３４よりも小径の断面円形をなし、Ｚ方向に各部材を貫通している。各位置決め孔３５は、Ｙ方向について各供給口３２及び各排出口３４の中間に位置している。各位置決め孔３５にピンなどの位置決め部材を挿通させることで、各封止部材１６、一対のヒートシンク１３，１３、及び一対のスペーサ１４，１４を積層する際の各部材の位置決めが容易なものとなる。
　続いて、上述したヒートシンク１３の構成、及びヒートシンク１３と量子カスケードレーザ素子２１との配置関係について詳細に説明する。
　図４は、ヒートシンクの斜視図である。同図に示すように、ヒートシンク１３は、例えば銅によって形成された薄板状の本体部４１を備えている。本体部４１は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を短辺とし、Ｙ方向を長辺とする長方形状をなしている。本体部４１における短辺の長さ及び長辺の長さは、上側のスペーサ１４及び下側のスペーサ１４における短辺の長さ及び長辺の長さと一致している。本体部４１のＺ方向の厚さは、例えば各封止部材１６のＺ方向の厚さと同程度となっていてもよく、各封止部材１６のＺ方向の厚さよりも大きくなっていてもよい。本体部４１には、上述した供給口３２、排出口３４、及び位置決め孔３５がそれぞれ設けられている。供給口３２、排出口３４、及び位置決め孔３５は、本体部４１をＺ方向に貫通するように形成されている。
　本体部４１のＺ方向の一端面４１ａには、量子カスケードレーザ素子２１の配置領域Ｐが設けられている。配置領域Ｐは、Ｚ方向から見て、本体部４１の一方の短辺側の縁に沿って一定の幅で設けられ、本体部４１の一方の長辺側の縁から他方の長辺側の縁に向かって延在している。本体部４１内には、供給口３２側から供給された冷却用流体Ｒを配置領域Ｐに向けて導く供給路４５と、供給路４５によって導かれた冷却用流体Ｒを配置領域Ｐ下で噴出させる噴出孔４６と、噴出孔４６から噴出した冷却用流体Ｒを排出口３４に向けて導く排出路４８とが設けられている。
　本体部４１内で供給路４５、噴出孔４６、及び排出路４８を一連の流路として形成するにあたり、本体部４１は、図５～図７に示すように、第１層４２と、第２層４３と、第３層４４とによる３層構造となっている。第１層４２～第３層４４は、例えばＮｉメッキ及びＡｕメッキを銅板の表面に施した板状部材である。各層の接合には、例えばＡｕＳｎハンダが用いられている。
　第１層４２は、図５に示すように、複数の供給路４５を有している。図５の例では、４本の供給路４５が供給口３２に接続されている。４本の供給路４５は、Ｘ方向に展開しながら供給口３２から一方の短辺側に向かってＹ方向に延在している。これらの供給路４５は、一方の短辺側に向かう途中で２分岐しており、一方の短辺側では、８本の供給路４５がＹ方向に延在している。８本の供給路４５の先端は、Ｚ方向から見て配置領域Ｐと重なる位置まで延び、一方の短辺側の縁より僅かに内側で互いに揃えられている。
　第２層４３は、図６に示すように、複数の噴出孔４６を有している。ここでは、複数の噴出孔４６は、いずれも丸孔４７によって構成され、８本の供給路４５の断面積に比べて十分に小さい断面積を有している。複数の噴出孔４６は、Ｚ方向から見て８本の供給路４５の先端と重なるように配置されている。図６の例では、１本の供給路４５の先端に対して２つの噴出孔４６が連通しており、合計で１６個の噴出孔４６が一方の短辺に沿ってＸ方向に配列されている。噴出孔４６の内壁には、全面にわたって金メッキＣ（図９参照）が施されている。噴出孔４６は、配置領域Ｐ下で冷却用流体Ｒを噴出させるものであればよく、必ずしも量子カスケードレーザ素子２１の直下に位置していなくてもよい。冷却用流体Ｒによる冷却効果が及ぶ範囲であれば、量子カスケードレーザ素子２１と噴出孔４６との間に一定のずれが許容され得る。
　第３層４４は、図７に示すように、複数の排出路４８を有している。図７の例では、４本の排出路４８が排出口３４に接続されている。４本の排出路４８は、供給口３２及び位置決め孔３５を回り込むようにして排出口３４から一方の短辺側に向かってＹ方向に延在している。これらの排出路４８は、一方の短辺側に向かう途中で２分岐しており、一方の短辺側では、８本の排出路４８がＹ方向に延在している。８本の排出路４８の先端は、Ｚ方向から見て配置領域Ｐと重なる位置まで延び、一方の短辺側の縁より僅かに内側で互いに揃えられている。図７の例では、１本の排出路４８の先端に対して２つの噴出孔４６が連通している。
　図８は、ヒートシンクと半導体レーザ素子との配置関係を示す要部拡大平面図である。図９は、その要部拡大断面図である。図８及び図９に示すように、ヒートシンク１３の本体部４１における配置領域Ｐには、一対のサブマウント１８，１８に挟持された量子カスケードレーザ素子２１及びダミーバー１７が配置されている。
　サブマウント１８は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向を長辺とし、Ｙ方向を短辺とする長方形状をなしている。サブマウント１８の一方の短辺側の縁は、配置領域Ｐにおいて本体部４１の一方の長辺側の縁に揃えられている。サブマウント１８の一方の長辺側の縁は、配置領域Ｐにおいて本体部４１の一方の短辺側の縁に揃えられている。本実施形態では、サブマウント１８の長辺の長さは、本体部４１の短辺の長さよりも小さくなっている。このため、サブマウント１８は、Ｚ方向から見た場合に、本体部４１の一方の長辺側から１番目から７番目までの供給路４５及び排出路４８と重なった状態となっている。
　量子カスケードレーザ素子２１は、レーザ光Ｌの出射面１２ａが本体部４１における一方側の長辺の縁に揃うようにサブマウント１８，１８間に挟持されている。量子カスケードレーザ素子２１は、Ｚ方向から見た場合に、噴出孔４６と重なる位置に配置されている。図８の例では、量子カスケードレーザ素子２１は、本体部４１の一方の長辺側から１番目及び２番目の供給路４５及び排出路４８と重なっており、これらの供給路４５及び排出路４８に対応する４つの噴出孔４６の直上に位置している。
　量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄは、レーザ光Ｌの出射方向と一致し、本体部４１の一方の短辺に沿って延在している。したがって、Ｚ方向から見た場合、ヒートシンク１３の噴出孔４６は、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄに沿って配置されている。また、Ｚ方向から見た場合、供給路４５及び排出路４８は、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄと交差する方向に延在している。図８の例では、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄは、Ｘ方向に沿って延在しており、複数の噴出孔４６は、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄと平行にＸ方向に配列されている。また、供給路４５及び排出路４８は、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄと直交してＹ方向に延在している。
　ダミーバー１７は、Ｘ方向から見た場合に、量子カスケードレーザ素子２１と同形状をなしており、サブマウント１８，１８間において量子カスケードレーザ素子２１とＹ方向に離間して並べられている。ダミーバー１７は、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向に延在している。図８の例では、ダミーバー１７は、サブマウント１８の長辺の長さと等しい長さで、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄと平行にＸ方向に延在している。ダミーバー１７の延在方向は、複数の噴出孔４６の配列方向と平行となっており、供給路４５及び排出路４８の延在方向と直交している。
　以上説明したように、半導体レーザ装置１では、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄに沿って噴出孔が配置されている。このため、量子カスケードレーザ素子２１の共振器長が比較的長い場合であっても、共振器長に応じた長さで噴出孔４６からの冷却用流体Ｒを配置領域Ｐに向けて噴出できる。また、半導体レーザ装置１では、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄと交差する方向に排出路４８が延在している。これにより、配置領域Ｐから熱を受けた冷却用流体Ｒが配置領域Ｐ下を流れる距離を抑えることができる。したがって、半導体レーザ装置１では、ヒートシンク１３による量子カスケードレーザ素子２１の冷却効率の向上が図られる。
　本実施形態では、ヒートシンク１３は、Ｚ方向から見て長辺及び短辺を有する長方形状をなしており、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄがヒートシンク１３の短辺に沿って延在している。量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄをヒートシンク１３の短辺に沿わせることで、ヒートシンク１３に対する量子カスケードレーザ素子２１の配置構造を簡単化できる。また、ヒートシンク１３の長辺方向に比較的大きなスペースを確保することが可能となり、量子カスケードレーザ素子２１のように共振器長が長くなる場合でも、冷却用流体Ｒの流路を封止する封止部材１６などの配置スペースを容易に確保できる。
　本実施形態では、噴出孔４６が複数の丸孔４７によって構成されている。これにより、噴出孔４６から噴出する冷却用流体Ｒの圧力が十分に高められ、量子カスケードレーザ素子２１の冷却効率をより向上させることができる。また、本実施形態では、噴出孔４６の内壁に金メッキＣが施されている。金メッキＣを施すことで、冷却用流体Ｒに起因する噴出孔４６の内壁のイオン化を抑制できる。これにより、噴出孔４６の経時的な拡径によって噴出孔４６から噴出する冷却用流体Ｒの圧力が低下してしまうことを抑制できる。
　本実施形態では、Ｚ方向から見て、供給路４５が噴出孔４６の配置方向に交差する方向に延在している。供給路が噴出孔の配置方向に沿って延在している場合、供給路の先端側に位置する噴出孔から噴出する冷却用液体の圧力が、供給路の基端側に位置する噴出孔から噴出する冷却用液体の圧力に比べて弱まることが考えられる。供給路４５が噴出孔４６の配置方向に交差する方向に延在することで、噴出孔４６から噴出する冷却用流体Ｒの圧力の均一化が図られる。
　本実施形態では、構造体１１において、ヒートシンク１３に隣接して配置されたスペーサ１４，１４が設けられている。そして、ヒートシンク１３とスペーサ１４との間には、量子カスケードレーザ素子２１に電気的に接続された電極リード１５が配置されている。このような構成によれば、電極リード１５を量子カスケードレーザ素子２１に近接して配置できるため、立ち上がり時間の早い電流パルスを量子カスケードレーザ素子２１に対して低損失で入力できる。したがって、量子カスケードレーザ素子２１の短パルス動作を実現でき、量子カスケードレーザ素子２１における光出力の取出効率を高めることができる。
　本実施形態では、一対のサブマウント１８，１８間において、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１と並んでダミーバー１７が配置されている。ダミーバー１７は、量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄに延在している。このようなダミーバー１７の配置により、構造体１１におけるヒートシンク１３やスペーサ１４等の姿勢の安定性を高めることができる。
　本実施形態では、半導体レーザ素子１２が量子カスケードレーザ素子２１となっている。この半導体レーザ装置１の構成によれば、比較的長い共振器長及び比較的高い発熱量を有する量子カスケードレーザ素子２１を配置領域Ｐに配置する場合でも、ヒートシンク１３による冷却を効率良く実施できる。
　本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、半導体レーザ素子１２として量子カスケードレーザ素子２１を例示したが、配置領域Ｐに配置される半導体レーザ素子１２は、例えばＧａＡｓ系の半導体レーザ素子のように、量子カスケードレーザ素子２１に比べて共振器長や発熱量の小さい他の半導体レーザ素子であってもよい。半導体レーザ装置１の構成によれば、このような他の半導体レーザ素子を配置領域Ｐに配置する場合であっても、ヒートシンク１３による冷却を効率良く実施できる。
　上記実施形態では、噴出孔４６が複数の丸孔４７で構成されているが、図１０に示すように、噴出孔４６が長孔５０によって構成されていてもよい。図１０の例では、長孔５０のＹ方向の幅は、上述した丸孔４７の直径と同程度となっている。Ｚ方向から見た長孔５０の延在方向は、配置領域Ｐに配置された量子カスケードレーザ素子２１の共振方向Ｄに沿っている。また、Ｚ方向から見た長孔５０の延在方向は、供給路４５及び排出路４８の延在方向と直交している。このような態様においても、上記実施形態と同様に、ヒートシンク１３による量子カスケードレーザ素子２１の冷却効率の向上が図られる。
　上記実施形態では、供給管３１を通って構造体１１の内部に供給された冷却用流体Ｒは、一対のヒートシンク１３，１３の内部にそれぞれ供給されているが、図１１に示すように、一方のヒートシンク１３の内部のみに冷却用流体Ｒが供給される態様であってもよい。図１１の例では、ヒートシンク１３，１３間の封止部材１６、上側のヒートシンク１３、上側のヒートシンク１３と上側のスペーサ１４との間の封止部材１６には、位置決め孔３５のみが設けられている。供給管３１から構造体１１の内部に供給された冷却用流体Ｒは、下側のヒートシンク１３の内部にのみ供給される。このような態様においても、上記実施形態と同様に、ヒートシンク１３による量子カスケードレーザ素子２１の冷却効率の向上が図られる。
　１…半導体レーザ装置、１２…半導体レーザ素子、１３…ヒートシンク、１４…スペーサ、１５…電極リード、１７…ダミーバー、２１…量子カスケードレーザ素子、３２…供給口、３４…排出口、４１…本体部、４５…供給路、４６…噴出孔、４７…丸孔、４８…排出路、Ｃ…金メッキ、Ｄ…共振方向、Ｐ…配置領域、Ｒ…冷却用流体。

Claims (8)

  1. 　半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を冷却するヒートシンクと、を備え、
    　前記ヒートシンクは、前記半導体レーザ素子が配置された配置領域を表面に有すると共に、冷却用流体が供給される供給口及び前記冷却用流体を排出する排出口が前記配置領域から離間して設けられた本体部を有し、
    　前記本体部内には、前記供給口側から供給された前記冷却用流体を前記配置領域に向けて導く供給路と、前記供給路によって導かれた前記冷却用流体を前記配置領域下で噴出させる噴出孔と、前記噴出孔から噴出した前記冷却用流体を前記排出口に向けて導く排出路と、が設けられ、
    　前記噴出孔は、前記ヒートシンクの平面視において、前記配置領域に配置された前記半導体レーザ素子の共振方向に沿って配置され、
    　前記排出路は、前記ヒートシンクの平面視において、前記配置領域に配置された前記半導体レーザ素子の共振方向と交差する方向に延在している半導体レーザ装置。
  2. 　前記ヒートシンクは、平面視において長辺及び短辺を有する長方形状をなしており、
    　前記配置領域に配置された前記半導体レーザ素子の共振方向は、前記ヒートシンクの短辺に沿って延在している請求項１記載の半導体レーザ装置。
  3. 　前記噴出孔は、複数の丸孔によって構成されている請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
  4. 　前記噴出孔の内壁には、金メッキが施されている請求項１～３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  5. 　前記供給路は、前記ヒートシンクの平面視において、前記噴出孔の配置方向に交差する方向に延在している請求項１～４のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  6. 　前記ヒートシンクに隣接して配置されたスペーサを備え、
    　前記ヒートシンクと前記スペーサとの間には、前記半導体レーザ素子に電気的に接続された電極リードが配置されている請求項１～５のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  7. 　前記配置領域に配置された前記半導体レーザ素子と並んで配置され、前記半導体レーザ素子の共振方向に延在するダミーバーを備える請求項１～６のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  8. 　前記半導体レーザ素子は、量子カスケードレーザ素子である請求項１～７のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
     
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