(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ光源装置は、第一面から第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔を含むステム５と、少なくとも一部分が第一貫通孔内に嵌合し、ステムよりも熱伝導率の高い材料で構成された第一ヒートシンク４と、第一ヒートシンクの第一貫通孔の第一面側に露出した領域内の面上に第二方向に沿って複数配置されたサブマウント３と、サブマウントのそれぞれの面上に配置された複数の半導体レーザ素子２と、第二貫通孔の内壁に沿うように配置された中空状の絶縁部材１３と、絶縁部材の内側を通過して第二貫通孔を貫通するように配置された給電ピン７とを有する。給電ピンが第二貫通孔から第二面よりも第一方向に突出する長さは、第一ヒートシンクが第一貫通孔から第二面よりも第一方向に突出する長さより短い。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面と、前記第一面に対して第一方向に位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
少なくとも一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短いことを特徴とする、半導体レーザ光源装置。
【請求項２】
前記第二貫通孔は、前記半導体レーザ素子に対して、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に離間した位置に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項３】
前記第一ヒートシンクのうちの、前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出した領域に対して接触するように配置された、空冷部材及び／又は水冷部材を含む第二ヒートシンクを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項４】
前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板を有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項５】
前記給電基板は、前記ステムの前記第二面側に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項６】
前記給電基板は、前記第二方向に延伸する形状であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項７】
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項８】
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項９】
前記第一金属材料は、鉄、鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＡＮパッケージと呼ばれるタイプのパッケージに半導体レーザ素子が収容された、半導体レーザ光源装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。図１６は、上記特許文献１に開示されている、従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す図面である。
【０００３】
図１６に示すように、従来の半導体レーザ光源装置１００は、ステム１０１と、ステム１０１の面上に突出して形成されたヒートシンク１０２と、ヒートシンク１０２の面上に載置されたサブマウント１０３と、サブマウント１０３の面上に載置された半導体レーザ素子１０４を備える。給電ピン１０５は、ステム１０１に設けられた貫通孔を貫通して配置され、サブマウント１０３を介して半導体レーザ素子１０４に対して給電を行う。
【０００４】
キャップ１１０は、円筒形状を呈しており、気密のためにステム１０１に対して被せられた状態で固定化される。キャップ１１０には窓部１１０ａが設けられており、半導体レーザ素子１０４から出射された光は窓部１１０ａを介して外部に取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１３０３８５号公報
【特許文献２】特許第５５００３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
給電ピン１０５は、ステム１０１の貫通穴内に、絶縁材料としての低融点ガラスを介して挿入される。また、キャップ１１０は、ステム１０１に対して抵抗溶接によって固定されるのが一般的である。
【０００７】
かかる観点から、ステム１０１は、抵抗溶接の圧力に耐え得る程度に高い硬度を有し、且つ、低融点ガラスに近い熱膨張係数を示す材料であることが求められる。かかる観点から、ステム１０１は、Ｆｅ（鉄）やコバールなどの鉄合金が一般的に利用される。しかし、Ｆｅは熱伝導率が充分高い材料ではないため、半導体レーザ素子１０４の発光時に生じる熱を効率よく排熱することができない。かかる観点から、図１６に示すように、Ｆｅよりも熱伝導率の高い材料からなるヒートシンク１０２がステム１０１とは別に配置され、このヒートシンク１０２の面上に、サブマウント１０３を介して半導体レーザ素子１０４が取り付けられる。
【０００８】
ヒートシンク１０２は、一般的にＣｕ（銅）などの、Ｆｅよりは熱伝導率が高く、比較的安価に入手できる材料が用いられる。ヒートシンク１０２とステム１０１とは、銀ロウなどの金属ロウ材を介して接合される。
【０００９】
ところで、近年、高輝度の半導体レーザ光源装置の市場からの要請が高まりつつある。本発明者は、図１６に示されるような、従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置１００において、複数の半導体レーザ素子１０４を並べることで、輝度を高めることを検討した。
【００１０】
しかし、複数の半導体レーザ素子１０４が狭い範囲内に並べられて構成される半導体レーザ光源装置１００は、単独の半導体レーザ素子１０４を備える従来の半導体レーザ光源装置１００と比較して、排熱性の問題が重要となる。本発明者の鋭意研究により、図１６に図示されるような、従来の半導体レーザ光源装置１００の構造のままで、単に複数の半導体レーザ素子１０４を並べた場合には、充分高い排熱能力が確保できず、半導体レーザ素子１０４の出力の低下や、出射光の波長の変化、又は単寿命化といった問題を引き起こすおそれがあることを突き止めた。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る半導体レーザ光源装置は、
第一面と、前記第一面に対して第一方向に位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
少なくとも一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短いことを特徴とする。
【００１３】
例えば、図１６に示されるような従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置１００において、給電ピン１０５を介して半導体レーザ素子１０４に対して給電を行うために、回路素子が実装された給電基板が通常設けられる。このとき、図１６に図示されるように、給電ピン１０５が半導体レーザ素子１０４とは反対側に突出しているため、この側に給電基板を設置するのが一般的である。なお、以下では、説明の便宜のために、ステム１０１から見て半導体レーザ素子１０４が配置されている向きを「上」と呼び、その逆向きを「下」と呼ぶ。この呼び方に倣って記載すると、給電ピン１０５は、ステム１０１の下側に突出している。
【００１４】
ここで、更なる排熱性を確保するためには、ステム１０１の、半導体レーザ素子１０４とは反対側の面、すなわち下側の面に、フィンなどの空冷部材又は排水管などの水冷部材を有してなる冷却部材を配置する方法が考えられる。しかし、上述したように、給電ピン１０５に接続するための給電基板を配置する必要があるため、その領域を確保する観点から、ステム１０１の下側の面に直接冷却部材を配置することができない。かかる観点から、ステム１０１の下側の面に、アルミダイキャストなどの基台を介して冷却部材を配置する方法が考えられる。この技術は、例えば特許文献２に開示されている。
【００１５】
この方法によれば、給電ピン１０５を挿入できる程度の貫通孔を有した基台を準備し、この基台の下側の面に給電基板が配置されることで、給電ピン１０５と給電基板との電気的な接続が確保される。そして、この基台に接触するように冷却部材が配置される。
【００１６】
しかし、上記の基台は、上述したように給電ピン１０５を挿入するための貫通孔を設ける必要があるところ、アルミニウム合金など、ダイキャストによる加工が可能な材料で構成される。この材料は、一般的にヒートシンク１０２よりも熱伝導率が低い。すなわち、基台が設けられる結果、ヒートシンク１０２で吸熱された熱を、冷却部材に対して効率的に排熱できないおそれがある。
【００１７】
上記の構成によれば、第一ヒートシンクは、ステムに形成された第一貫通孔内を貫通するように配置され、給電ピンは、ステムに形成された第二貫通孔内を貫通するように配置される。そして、給電ピンが、第二貫通孔から、ステムの第二面側すなわち半導体レーザ素子とは反対側に突出する長さは、第一ヒートシンクが、第一貫通孔から、ステムの第二面側に突出する長さよりも短い。
【００１８】
この結果、ステムの第二面側において、第一ヒートシンクとステムとの間に空間領域が確保される。よって、この位置に給電ピンと電気的に接続される給電基板を配置することができる。
【００１９】
つまり、上記の構成によれば、第一ヒートシンクよりも、半導体レーザ素子とは反対側（下側）の位置に給電基板を配置する必要がなくなるため、第一ヒートシンクに対して、空冷部材や水冷部材などの冷却部材（本明細書内において、「第二ヒートシンク」に対応する。）を直接接触させることができる。これにより、従来の構成よりも高い排熱性が確保される。なお、ここでいう「直接接触」とは、「基台などの部品を介さずに」接触するという意味であり、固定のために半田などの接合材を介して接触する場合を含む意図である。
【００２０】
前記第二貫通孔は、前記半導体レーザ素子に対して、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に離間した位置に形成されているものとしても構わない。
【００２１】
かかる構成によれば、半導体レーザ素子に対して第三方向に離間した位置に、給電ピンを配置することができる。そして、この第二貫通孔よりも第一方向に変位した位置（すなわち、ステムの第二面側）に、給電基板を配置することができる。これにより、ステムの大きさを極力小さくしながらも、給電基板の配置位置が確保される。
【００２２】
なお、上記構成の場合、第三方向を半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の速軸方向とし、第二方向を前記レーザ光の遅軸方向とするのが好ましい。かかる構成により、半導体レーザ素子をできるだけ密に配置できると共に、空間を有効に活用することができる。
【００２３】
前記半導体レーザ光源装置は、前記第一ヒートシンクのうちの、前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出した領域に対して接触するように配置された、空冷部材及び／又は水冷部材を含む第二ヒートシンクを有するものとしても構わない。
【００２４】
前記半導体レーザ光源装置は、前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板を有するものとしても構わない。
【００２５】
前記給電基板は、前記ステムの前記第二面側に配置されているものとしても構わない。
【００２６】
前記給電基板は、前記第二方向に延伸する形状であるものとしても構わない。
【００２７】
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されているものとしても構わない。
【００２８】
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換するものとしても構わない。
【００２９】
前記第一金属材料は、鉄、及び鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、及び銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であるものとしても構わない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の半導体レーザ光源装置によれば、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】半導体レーザ光源装置の第一実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１からキャップ及びミラーの図示を省略した図面である。
【図３】ステムの構造を示す模式的な平面図である。
【図４】図１に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。
【図５Ａ】図４内のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図５Ｂ】図４内のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図６】第二ヒートシンクを含む半導体レーザ光源装置の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】図６に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な図面である。
【図８】接合工程時に第一ヒートシンク及びステムに対してかかる応力を模式的に説明する図面である。
【図９】第一ヒートシンク及びステムを第二ヒートシンクに対して固定させる方法の一例を模式的に示す図面である。
【図１０】図１に示す半導体レーザ光源装置の別実施例をＺ方向から見たときの模式的な平面図を、図４にならって図示した図面である。
【図１１】半導体レーザ光源装置の第二実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。
【図１２】図１１からキャップの図示を省略した図面である。
【図１３】図１１に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。
【図１４】図１３内のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図１５】別実施形態の半導体レーザ光源装置が備えるステムの構造を模式的に示す平面図である。
【図１６】従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明に係る半導体レーザ光源装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。以下の各図面は、模式的に示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比とは一致していない。また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
【００３３】
［第一実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第一実施形態について、説明する。図１は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図１は、理解の容易の観点から、後述するキャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。
【００３４】
以下の説明では、図１等に記載されたＸＹＺ座標系が適宜参照される。
【００３５】
図１に示すように、半導体レーザ光源装置１は、Ｘ方向に沿って複数配列された半導体レーザ素子２と、各半導体レーザ素子２が載置されるサブマウント３と、サブマウント３が面上に載置される第一ヒートシンク４と、第一ヒートシンク４と連結されてなるステム５とを備える。
【００３６】
半導体レーザ素子２は、基板と基板上に積層された多層の半導体層とを含んであり、半導体層の構成材料に応じて決定される波長のレーザ光Ｌ２を出射する。例えば、前記半導体層が、ＩｎＧａＰ、又はＩｎＧａＡｌＰからなる活性層を含む場合、半導体レーザ素子２は、波長が６００ｎｍ〜８００ｎｍ帯の、いわゆる赤色光のレーザ光Ｌ２を出射する。ただし、本発明において、半導体レーザ光源装置１が出射するレーザ光Ｌ２の波長は限定されない。
【００３７】
本実施形態の例では、図１に示すように、各半導体レーザ素子２はＸＹ平面上においてＸ方向に整列するように配置されている。そして、半導体レーザ光源装置１は、各半導体レーザ素子２からＹ方向に出射されたレーザ光Ｌ２の進行方向を、Ｚ方向に変換するためのミラー１２を有する。ミラー１２によって進行方向が変換されたレーザ光Ｌ２は、キャップ１０に設けられた窓部１０ａを介して、半導体レーザ光源装置１の外部に取り出される。
【００３８】
キャップ１０は、内部を気密にすることで、半導体レーザ素子２を保護する目的で設けられており、例えばステム５に対して抵抗溶接などの方法で接合されている。
【００３９】
本明細書において、Ｚ方向が「第一方向」に対応し、Ｘ方向が「第二方向」に対応し、Ｙ方向が「第三方向」に対応する。
【００４０】
サブマウント３は、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザ素子２に対する給電のための電気的な接続が形成される。また、サブマウント３は、半導体レーザ素子２の発光時に生じる熱を、第一ヒートシンク４側に導く機能も有している。サブマウント３は、放熱性、絶縁性、半導体レーザ素子２との線膨張係数差などに鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウント３は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＣｕＷなどの材料で構成される。
【００４１】
本実施形態において、各サブマウント３は、第一ヒートシンク４のＸＹ平面に平行な面上に載置されている。図２は、理解の容易のために、図１からキャップ１０及びミラー１２の図示を省略した図面である。
【００４２】
ステム５は、第一面５ａと、第一面５ａに対してＺ方向に向かい合う位置に第二面５ｂとを有する。ステム５は、図３に示すように、第一面５ａから第二面５ｂに対してＺ方向に貫通する、第一貫通孔２１と第二貫通孔２２とを有する。図３は、ステム５をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。図３に示すように、本実施形態の例では、ステム５は、１つの第一貫通孔２１と、２つの第二貫通孔（２２，２２）を有している。
【００４３】
ステム５は、上述したように、抵抗溶接などの方法で第一面５ａに対してキャップ１０が接合される。このため、ステム５は、抵抗溶接などが可能な材料で構成されており、例えば、鉄、鉄合金などで構成される。
【００４４】
本実施形態では、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して非対称な位置に第一貫通孔２１が形成されている。すなわち、ステム５は、Ｙ方向に関して第一貫通孔２１の外側の位置に、幅の広い領域（第一部分５１）と、幅の狭い領域（第二部分５２）とを有している。そして、ステム５の第一部分５１内において、Ｘ方向に離間した２箇所の位置に第二貫通孔２２が形成されている。
【００４５】
第一貫通孔２１は、第一ヒートシンク４を嵌合するための孔部である。図１及び図２に示されるように、第一ヒートシンク４は、第一貫通孔２１内にＺ方向に嵌め込まれるように配置されている。本実施形態では、第一貫通孔２１の、ステム５の第一面５ａ側に露出している第一ヒートシンク４の面上に、サブマウント３及び半導体レーザ素子２が載置されている。
【００４６】
第一ヒートシンク４は、半導体レーザ素子２の発光時に生じる熱を排熱させる機能を有している。このため、第一ヒートシンク４は、熱伝導率の高い材料で構成されるのが好ましい。より詳細には、第一ヒートシンク４は、ステム５よりも熱伝導率の高い材料で構成され、例えば、銅、銅合金などで構成される。
【００４７】
図２に示すように、本実施形態では、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、ステム５の第二面５ｂよりも長さｄ４だけ突出するように配置されている。
【００４８】
２箇所に設けられた第二貫通孔（２２，２２）は、給電ピン７を挿入するための孔部である。給電ピン７は、コバールなどの鉄合金などの導電性材料で構成される。より詳細には、第二貫通孔２２内には、中空状（筒状）に形成された、低融点ガラスなどの絶縁部材１３が嵌め込まれており、その内側に給電ピン７が挿入されることで、給電ピン７とステム５との間の絶縁性が確保されている。給電ピン７は、ステム５の第二面５ｂ側の位置において後述される給電基板１５と電気的に接続され、第一面５ａ側の位置において半導体レーザ素子２と電気的に接続される。これにより、給電基板１５から、給電ピン７を介して半導体レーザ素子２に対して給電される。
【００４９】
第一ヒートシンク４とステム５とは、第一貫通孔２１内において、接合材６によって接合されている。接合材６としては、銀ロウなどの金属ロウ材、金属共晶半田材、金属接着材などを利用することができる。
【００５０】
本実施形態において、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側において接合材６によってステム５と接合されている一方、第二面５ｂ側にはステム５と接合されていない。この点につき、図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。図４は、図１に示す半導体レーザ光源装置１をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。また、図５Ａ及び図５Ｂは、いずれも図４内のＡ１−Ａ１線断面図であるが、説明の都合上、表記の方法が異なっている。また、理解の容易のため、図５Ａ及び図５Ｂでは一部の部材の大きさが誇張して図示されている。
【００５１】
上述したように、ステム５に形成された第一貫通孔２１内に嵌め込まれた第一ヒートシンク４は、第一貫通孔２１内において接合材６によってステム５と接合されている。また、第二貫通孔２２内を貫通するように配置された給電ピン７は、低融点ガラスなどの絶縁部材１３によってステム５との間の絶縁性が確保されている。なお、本実施形態の例では、ステム５の第二面５ｂ側に露出している第一ヒートシンク４のＺ方向の長さｄ４は、ステム５の第二面５ｂ側に露出している給電ピン７の長さｄ７よりも長い。
【００５２】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図５Ｂに示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。
【００５３】
図６は、半導体レーザ光源装置１の構造を模式的に示す断面図であり、図５Ａ及び図５Ｂと比較して、更に第二ヒートシンク３１及び給電基板１５が図示されている。給電基板１５は、半導体レーザ素子２に対する給電を制御するための回路素子（不図示）が実装された基板である。なお、図６には、給電ピン７と半導体レーザ素子２を電気的に接続するためのワイヤ１８が図示されている。
【００５４】
第一ヒートシンク４は、半導体レーザ素子２で生じた熱を排熱する機能を有している。この排熱効果を更に高める観点からは、第一ヒートシンク４を、空冷部材や水冷部材からなる第二ヒートシンク３１と接触させるのが好ましい。本実施形態の半導体レーザ光源装置１によれば、Ｚ方向に関して、第一ヒートシンク４が、給電ピン７よりも更に突出して配置されている。この結果、図６に示すように、給電基板１５を、ステム５の第二面５ｂと、第二ヒートシンク３１との間の位置に配置することが可能となる。
【００５５】
図７は、給電基板１５を含む半導体レーザ光源装置１を、Ｚ方向に見たときの模式的な平面図である。図６及び図７に示すように、給電基板１５は、ステム５の第二面５ｂ側において、Ｘ方向に延伸するように配置される。給電ピン７は、例えばハンダ材１６によって給電基板１５に対して電気的な接続が形成されている。
【００５６】
かかる構成によれば、給電ピン７は、第一ヒートシンク４よりもＺ方向に係る突出長さが短いため、給電基板１５を配置するためのアルミダイキャストなどの基台を介することなく、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して接触させることができる。アルミダイキャストなどの基台は、第二ヒートシンク３１よりも熱伝導率が低いため、かかる構成とすることで、排熱性が高められる。
【００５７】
また、第一ヒートシンク４がＺ方向に大きく突出する構成であるため、第一ヒートシンク４の−Ｚ側の端面が第一貫通孔２１内にＺ方向に突出することなく留まることで第二ヒートシンク３１と接触しないという事態が生じるのを防ぐことができる。
【００５８】
更に、第一ヒートシンク４は、ＸＹ平面に平行な方向に一定程度の広さを有した形状であり、この広さを有したままで第一貫通孔２１内に嵌め込まれている。これにより、排熱経路として利用される第一ヒートシンク４の断面積を大きく確保することができるため、排熱効率が高められる。
【００５９】
更に、本実施形態の構成によれば、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関してステム５と接合されていない第二領域４ｂを有している。このため、接合材６を用いて第一ヒートシンク４とステム５との接合に際して加熱及び冷却の工程を経ることで、第一ヒートシンク４が変形したとしても、第二ヒートシンク３１との面接触が容易に確保できる。この点について以下において説明する。
【００６０】
図８は、接合材６を用いて、第一ヒートシンク４とステム５とを接合する工程を経て、第一ヒートシンク４及びステム５に対してかかる応力を模式的に説明する図面である。
【００６１】
ステム５に形成された第一貫通孔２１の内壁に金属ロウなどからなる接合材６が設けられ、その内側に第一ヒートシンク４が嵌め込まれる。その後、金属ロウの融点を超える温度（例えば８００℃程度）に加熱されることで、融解された接合材６が、第一貫通孔２１内に位置する第一ヒートシンク４の外壁に付着する。その後、室温下まで冷却されることで接合材６が凝固し、これによって、第一ヒートシンク４とステム５とが固定される。
【００６２】
図８において、（ａ）は、加熱前の時点における、第一ヒートシンク４及びステム５の状態を示す図面である。また、（ｂ）は、加熱後、常温まで冷却された状態において、第一ヒートシンク４及びステム５に対して生じる応力を模式的に示す図面である。なお、図８（ｂ）では、力の向きが矢印の方向で示され、力の大きさが矢印の長さで示されている。
【００６３】
加熱されることで、第一ヒートシンク４及びステム５は膨張する。ここで、第一ヒートシンク４がＣｕ（銅）からなり、ステム５がＦｅ（鉄）からなる場合、熱膨張係数は第一ヒートシンク４の方がステム５よりも大きい。このため、冷却時には、第一ヒートシンク４に対して、ステム５よりも大きく収縮しようとする力が働く。
【００６４】
ここで、上述したように、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側において接合材６でステム５と固定されている。このため、第一ヒートシンク４の、ステム５の第一面５ａ側に近い領域（第一領域４ａ）は、接合材６で固定されたステム５によって、収縮しようとする力に対して抵抗を受ける。この結果、第一ヒートシンク４の第一領域４ａは、ステム５から外側に向けて引張応力（Ｓｒ１ａ，Ｓｒ２ａ）を受ける。
【００６５】
一方、第一ヒートシンク４は、ステム５の第二面５ｂ側においては、接合材６でステム５と固定されていない。このため、第一ヒートシンク４の第二領域４ｂは、ステム５からの引張り応力を受けることなく、収縮しようとする力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）が働く。
【００６６】
逆に、ステム５については、第一面５ａに近い領域においては、第一ヒートシンク４に対して収縮しようとする力が働くため、内側に向けて引張応力（Ｓｒ１ｂ，Ｓｒ２ｂ）を受ける。一方、第二面５ｂに近い領域においては、接合材６で第一ヒートシンク４と固定されていないため、第一ヒートシンク４からの引張応力を受けることなく、収縮しようとする力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）が働く。ただし、ステム５の構成材料は、第一ヒートシンク４の構成材料よりも、熱膨張係数が低いため、第一ヒートシンク４の収縮力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）と比較して、ステム５の収縮力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）は小さい。
【００６７】
つまり、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側では外側に引っ張られる応力（Ｓｒ１ａ，Ｓｒ２ａ）が働き、ステム５の第二面５ｂ側では内側に収縮しようとする力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）が働く。この結果、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側、すなわち＋Ｚ方向を凸とした形状に反りやすくなる。
【００６８】
逆に、ステム５は、第一面５ａ側では内側に引っ張られる応力（Ｓｒ１ｂ，Ｓｒ２ｂ）が働き、第二面５ｂ側では外側に収縮しようとする力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）が働く。この結果、ステム５は、第二面５ｂ側、すなわち−Ｚ方向を凸とした形状に反りやすくなる。
【００６９】
この結果、図９に模式的に示すように、−Ｚ方向を凸とした形状に反ったステム５を、押さえ部材３３を介して−Ｚ方向に押さえることで（外力Ｐ１）、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して面接触させやすくなる。これにより、半導体レーザ素子２で生じた熱を、経路Ｔｈ２を介して効率的に排熱できる。図９は、第一ヒートシンク４及びステム５を第二ヒートシンク３１に対して固定させる方法の一例を模式的に示す図面である。ただし、説明の都合上、反りなどの形状が極めて誇張して描かれている。
【００７０】
押さえ部材３３としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。また、ステム５の反りが大きい場合には、図９に示すように、ステム５と第二ヒートシンク３１との間にスペーサ３５を設けるものとしても構わない。スペーサ３５は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。
【００７１】
更に、図４に示すように、半導体レーザ素子２を、第一ヒートシンク４の面上のうち、ステム５の第一部分５１に近い側に配置するのが好ましい。Ｙ方向に係る長さの長い第一部分５１は、第一部分５１よりもＹ方向に係る長さの短い第二部分５２と比べて、冷却時に生じる引張応力が大きくなる。すなわち、図８において、応力Ｓｒ１ａは、応力Ｓｒ２ａよりも大きい。この結果、冷却工程の後、第一ヒートシンク４は、第一部分５１に近い側がより−Ｚ方向に変位する（上述したＺ方向への反り量が大きくなる）。よって、かかる領域の近くに半導体レーザ素子２が配置されることで、第二ヒートシンク３１との間の距離が近くなり、熱源となる半導体レーザ素子２が配置されている側が第二ヒートシンク３１に確実に接触するため、排熱効果が更に高められる。
【００７２】
なお、上記実施形態において、Ｘ方向に関して、第二貫通孔２２が、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。すなわち、第二貫通孔２２に貫通して配置されている給電ピン７が、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。しかし、図１０に示すように、給電ピン７（及びこの給電ピン７が挿入される第二貫通孔２２）は、必ずしもＸ方向に関して、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されていなくても構わない。以下の各実施形態においても共通である。
【００７３】
［第二実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
【００７４】
図１１は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図であり、図１と同様に、キャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。図１２は、図１１からキャップ１０の図示を省略した図面である。図１３は、図１１に示す半導体レーザ光源装置１をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。図１４は、図１３内のＡ２−Ａ２線断面図であり、図５Ｂの表記方法にならって図示されたものである。
【００７５】
本実施形態では、第一実施形態と異なり、半導体レーザ光源装置１はミラー１２を備えていない。各半導体レーザ素子２及び各サブマウント３は、第一ヒートシンク４の面のうち、ステム５の第一面５ａとは非平行な面（ここではＸＺ平面に平行な面）上に配置されている。なお、各半導体レーザ素子２及び各サブマウント３が、Ｘ方向に整列して配置されている点においては、第一実施形態と共通である。
【００７６】
各半導体レーザ素子２は、Ｚ方向にレーザ光Ｌ２を出射するように配置されている。これにより、このレーザ光Ｌ２は、キャップ１０に設けられた窓部１０ａを介して、半導体レーザ光源装置１の外部に取り出される。
【００７７】
本実施形態においても、第一実施形態と同様に、ステム５の第二面５ｂ側に露出している第一ヒートシンク４のＺ方向の長さｄ４は、ステム５の第二面５ｂ側に露出している給電ピン７の長さｄ７よりも長い。かかる構成によれば、図６を参照して上述したように、給電基板１５を配置するための、アルミダイキャストなどの基台を介することなく、直接第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して接触させることができるため、排熱性が向上する。
【００７８】
更に、図１４に示すように、本実施形態においても、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図１４に示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。これにより、第一実施形態の半導体レーザ光源装置１と同様に、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１（図６参照）に対して面接触させやすくなり、更なる排熱性の向上が図られる。
【００７９】
［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。
【００８０】
〈１〉上記実施形態では、第一貫通孔２１内において、ステム５の第一面５ａ側にのみ接合材６が設けられている構成について言及した。しかし、上記各実施形態のように、第一ヒートシンク４が、ステム５の第二面５ｂに対してＺ方向に大きく突出する構成においては、当該突出している領域については、第一ヒートシンク４はステム５に対して固定されていない。このため、かかる構成においては、第一貫通孔２１内においてＺ方向に関して全体にわたって接合材６が設けられていても、加熱後の冷却工程において、第一ヒートシンク４及びステム５に対して、図８を参照して説明した応力と同様の応力が生じる。
【００８１】
つまり、かかる構成の下では、上述した実施形態と同様に、ステム５が−Ｚ側を凸にして反るため、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して面接触させやすくなり、排熱性が向上する。
【００８２】
〈２〉上記実施形態では、第一貫通孔２１が、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して非対称な位置に形成されるものとして説明した。しかし、本発明において、第一貫通孔２１は、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して対称な位置に形成されるものとしても構わない。すなわち、第一部分５１と第二部分５２は、Ｙ方向に関して同じ幅を有するものとしても構わない。この場合、２つの第二貫通孔２２は、第一部分５１と第二部分５２のどちら側に設けられていても構わない。
【００８３】
〈３〉上記実施形態では、２つの第二貫通孔２２が、第一貫通孔２１に対してＹ方向に係る外側に設けられるものとして説明した。しかし、図１５に示すように、２つの第二貫通孔２２が、第一貫通孔２１に対してＸ方向に係る外側に設けられるものとしても構わない。
【００８４】
〈４〉上記実施形態では、半導体レーザ素子２の第一ヒートシンク４の面上における設置位置に関し、ステム５のうちの、Ｙ方向に係る幅が広い第一部分５１に対して近い位置であるものとして説明した。しかし、本発明において、第一ヒートシンク４の面上における半導体レーザ素子２の設置位置は、上記内容に限定されない。例えば、上記各実施形態において、半導体レーザ素子２は、第一ヒートシンク４の面上のうち、ステム５のうちの、Ｙ方向に係る幅が狭い第二部分５２に対して近い位置に配置されるものとしても構わない。
【００８５】
〈５〉上記実施形態では、ステム５に設けられる第二貫通孔２２が２箇所であるものとして説明したが、３箇所以上に第二貫通孔２２が形成されていても構わない。
【００８６】
〈６〉上記実施形態では、半導体レーザ素子２がＸ方向に一列に配置されている場合について説明したが、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配置されているものとしても構わない。
【符号の説明】
【００８７】
１      ：    半導体レーザ光源装置
２      ：    半導体レーザ素子
３      ：    サブマウント
４      ：    第一ヒートシンク
４ａ    ：    第一ヒートシンクの第一領域
４ｂ    ：    第一ヒートシンクの第二領域
５      ：    ステム
５ａ    ：    ステムの第一面
５ｂ    ：    ステムの第二面
６      ：    接合材
７      ：    給電ピン
１０      ：    キャップ
１０ａ    ：    窓部
１２      ：    ミラー
１３      ：    絶縁部材
１５      ：    給電基板
１６      ：    ハンダ材
１８      ：    ワイヤ
２１      ：    第一貫通孔
２２      ：    第二貫通孔
３１      ：    第二ヒートシンク
３３      ：    押さえ部材
３５      ：    スペーサ
５１      ：    ステムの第一部分
５２      ：    ステムの第二部分
１００      ：    従来の半導体レーザ光源装置
１０１      ：    ステム
１０２      ：    ヒートシンク
１０３      ：    サブマウント
１０４      ：    半導体レーザ素子
１０５      ：    給電ピン
１１０      ：    キャップ
１１０ａ    ：    窓部
Ｌ２    ：    レーザ光
【図１】
2020126987.tif 000003
【図２】
2020126987.tif 000004
【図３】
2020126987.tif 000005
【図４】
2020126987.tif 000006
【図５Ａ】
2020126987.tif 000007
【図５Ｂ】
2020126987.tif 000008
【図６】
2020126987.tif 000009
【図７】
2020126987.tif 000010
【図８】
2020126987.tif 000011
【図９】
2020126987.tif 000012
【図１０】
2020126987.tif 000013
【図１１】
2020126987.tif 000014
【図１２】
2020126987.tif 000015
【図１３】
2020126987.tif 000016
【図１４】
2020126987.tif 000017
【図１５】
2020126987.tif 000018
【図１６】
2020126987.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月10日(2019.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１３０３６５号公報
【特許文献２】特許第５５００３３９号公報
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月18日(2019.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面と、前記第一面に対して第一方向に向かい合って位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
前記第一面側に露出した部分と前記第二面側に露出した部分とが同一形状を呈した状態で、一部分が前記第一貫通孔内に嵌合し、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短いことを特徴とする、半導体レーザ光源装置。
【請求項２】
前記第二貫通孔は、前記半導体レーザ素子に対して、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に離間した位置に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項３】
前記第一ヒートシンクのうちの、前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出した領域に対して接触するように配置された、空冷部材及び／又は水冷部材を含む第二ヒートシンクを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項４】
前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板を有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項５】
前記給電基板は、前記ステムの前記第二面側に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項６】
前記給電基板は、前記第二方向に延伸する形状であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項７】
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項８】
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項９】
前記第一金属材料は、鉄、鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月13日(2019.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面と、前記第一面に対して第一方向に向かい合って位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
前記第一方向から見たときに前記第一面側に露出した部分と前記第二面側に露出した部分とが同一形状を呈した状態で、一部分が前記第一貫通孔内に嵌合し、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された、直方体形状を呈した第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンと、
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短く、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換することを特徴とする、半導体レーザ光源装置。
【請求項２】
前記第二貫通孔は、前記半導体レーザ素子に対して、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に離間した位置に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項３】
前記第一ヒートシンクのうちの、前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出した領域に対して接触するように配置された、空冷部材及び／又は水冷部材を含む第二ヒートシンクを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項４】
前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板を有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項５】
前記給電基板は、前記ステムの前記第二面側に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項６】
前記給電基板は、前記第二方向に延伸する形状であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項７】
前記第一金属材料は、鉄、鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。