(57)【要約】冷媒が流れる第１流路（１１）と第２流路（１２）とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材（１０）と、その上面に接触して設けられ、第１流路（１１）に連通する第３流路（２３）を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材（２０）と、その上面の一部に設けられた下部電極ブロック（６０）と、第２放熱部材（２０）の上面の残部に設けられた導電材料からなるサブマウント（３０）と、サブマウント（３０）の上面に配設された半導体レーザ素子（４０）と、第２放熱部材（２０）とでサブマウント（３０）及び半導体レーザ素子（４０）を挟持するように設けられた上部電極ブロック（６１）とを備え、第２流路（１２）は下部電極ブロック（６０）の配設領域の下方に設けられている。
2019009172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流れる第１流路と第２流路とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材と、
該第１放熱部材の上面に接触して設けられ、前記第１流路に連通する第３流路を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材と、
該第２放熱部材の上面の一部に設けられた下部電極ブロックと、
前記第２放熱部材の上面の残部に設けられ、該下部電極ブロック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、
該サブマウントの上面に配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、
前記第２放熱部材とで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層によって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を備え、
前記第２流路は前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
前記第３流路は、前記サブマウントの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項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、
前記下部電極ブロックは、前記第２放熱部材の側面に沿って延びて前記第１放熱部材の上面に接する延長部を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし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流路は、それぞれ、前記第１放熱部材の上面と略平行に延びる平行部を有しており、
前記第２流路の平行部は、前記第１流路の平行部よりも前記第２放熱部材に近い側に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし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２放熱部材の絶縁部材の内部には、前記第２流路に連通する第４流路が前記第３流路と独立に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
前記第４流路は、前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
前記第１放熱部材は、前記第１及び第２流路の一部が設けられた複数の部材を積層してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１ないし７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２放熱部材は、前記第３流路の一部が設けられた複数の部材を積層してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
前記絶縁部材及び前記絶縁層は、前記半導体レーザ素子よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を用いた金属加工の需要が高まっている。また、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用いた半導体レーザ装置が注目されている。しかし、半導体レーザ装置を高出力化すると、半導体レーザ素子に流れる電流量が大きくなる。そうすると、ジュール熱により半導体レーザ素子の温度が上昇し、性能の低下や素子の劣化、故障等を引き起こすおそれがある。【０００３】
そこで、従来、半導体レーザ素子とサブマウントとが配設されるヒートシンク内に冷却水を流すための流路を設け、半導体レーザ素子を冷却する構造が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７２１４１号公報
【特許文献２】特許第３９５１９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の構成において、冷却水によって冷却されるのは、サブマウントとこれに実装される半導体レーザ素子の下面側であり、半導体レーザ素子の上面側を冷却することは難しかった。【０００６】
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、半導体レーザ素子の上面側の冷却効率を高めて、高出力のレーザ光が出射可能な半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る半導体レーザ装置は、冷媒が流れる第１流路と第２流路とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材と、該第１放熱部材の上面に接触して設けられ、前記第１流路に連通する第３流路を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材と、該第２放熱部材の上面の一部に設けられた下部電極ブロックと、前記第２放熱部材の上面の残部に設けられ、該下部電極ブロック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、該サブマウントの上面に配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、前記第２放熱部材とで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層によって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を備え、前記第２流路は前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様にかかる半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の上下面を効率良く冷却し、高出力の半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一態様に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、水冷ジャケットの製造方法を説明する図である。
【図３】図３は、ヒートシンクの製造方法を説明する図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示の一態様に係る半導体レーザ装置の製造方法の一工程を説明する図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの続きの工程を説明する図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂの続きの工程を説明する図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ｃの続きの工程を説明する図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ｄの続きの工程を説明する図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、図４Ｅの続きの工程を説明する図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、図４Ｆの続きの工程を説明する図である。
【図５】図５は、変形例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、変形例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本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、本発明、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。
【００１１】
（実施形態）
［半導体レーザ装置１の構成及び動作］
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。なお、説明の便宜上、いくつかの部材については図示ないし説明を省略している。また、以降の説明において、半導体レーザ装置１における水冷ジャケット１０が配置された側を「下」と、上部電極ブロック６１が配置された側を「上」と呼ぶことがある。また、ヒートシンク２０における半導体レーザ素子４０が配設された側を「前」と、下部電極ブロック６０が配設された側を「後」と呼ぶことがある。図１に示すように、半導体レーザ装置１は、下から順に、水冷ジャケット１０（第１放熱部材）とヒートシンク２０（第２放熱部材）とサブマウント３０と半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６１とを備えている。また、半導体レーザ装置１は、ヒートシンク２０の上面にサブマウント３０とは別の領域に配設された下部電極ブロック６０と絶縁層７０とを備えている。下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１とは絶縁層７０を挟んで上下方向に積層された部分を互いに有する。以下、半導体レーザ装置１の各構成部材について説明する。
【００１２】
図２に示すように、水冷ジャケット１０（第１放熱部材）は、銅からなる金属ブロック１３（以下、銅ブロックと呼ぶことがある）を母材とし、内部に冷却水（図示せず）を通過させる流路１１（第１流路）及び流路１２（第２流路）を有している。また、金属ブロック１３の側面には、流路１１における冷却水の流入口１１ａ及び排出口１１ｂと、流路１２における冷却水の流入口１２ａ及び排出口１２ｂと、を有している。つまり、流路１１と流路１２とは互いに独立して設けられており、各々の内部を通過する冷却水も図示しないチラー等により独立して供給される。また、図１に示すように、水冷ジャケット１０の上面には、流路１１（第１流路）とヒートシンク２０の内部に設けられた流路２３（第３流路）とを連通するための開口１１ｃ，１１ｄが設けられている。なお、金属ブロック１３の構成材料は銅に特に限定されない。熱伝導率が高く、冷却水通過時の圧力に耐え、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。
【００１３】
図３に示すように、ヒートシンク２０（第２放熱部材）は、セラミック板材あるいは耐熱樹脂シートを母材とし、窒化アルミニウムを含む絶縁部材２１の上下面に導電層である銅層２２ａ，２２ｂが設けられてなる。また、後述するように、絶縁部材２１は複数の絶縁板２４〜２６が積層されてなる。絶縁部材２１の下面に設けられた銅層２２ａは、水冷ジャケット１０とヒートシンク２０と熱的及び機械的に結合させる機能を有している。また、絶縁部材２１の上面に設けられた銅層２２ｂは、ヒートシンク２０の上面に設けられたサブマウント３０及び下部電極ブロック６０をヒートシンク２０と熱的及び機械的に結合させる機能を有している。さらに、銅層２２ｂは、サブマウント３０と下部電極ブロック６０とを電気的に接続する機能を有している。なお、銅層２２ａ，２２ｂは別の導電材料に置き換えられてもよい。また、サブマウント３０と下部電極ブロック６０とを電気的に接続する部材を別に有していれば、銅層２２ａ，２２ｂは絶縁材料に置き換えられてもよい。ただし、その場合は、絶縁材料として熱伝導率の高い材料、例えば窒化アルミニウム等を用いることが好ましい。
【００１４】
図４Ａ〜図４Ｇに示すように、ヒートシンク２０は、流路２３（第３流路）を内部に有している。流路２３は、半導体レーザ素子４０が載置されたサブマウント３０の配設領域Ｓ１（図４Ａ参照）の下方に設けられている。また、流路２３は、水冷ジャケット１０の流路１１と連通するための開口２３ａ，２３ｂ（図１参照）を有している。なお、ヒートシンク２０は、絶縁部材２１が窒化アルミニウムを含むことにより高い熱伝導性を有しているが、特にこれに限定されない。絶縁部材２１を構成する材料は、絶縁性であって熱伝導率が高く、半導体レーザ素子４０と熱膨張係数が近く、耐腐食性の高いものであればよい。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
【００１５】
サブマウント３０は、例えば銅タングステン（Ｃｕ：Ｗ）等の導電材料からなり、ヒートシンク２０の上面かつ前方の領域Ｓ１（ヒートシンク２０の上面の残部）に設けられている。サブマウント３０は、前述したとおり銅層２２ｂを介してヒートシンク２０に接合され、また、下部電極ブロック６０に電気的に接続されている。サブマウント３０の上面には、金スズ（Ａｕ−Ｓｎ）層（図示せず）が蒸着等の気相成長法あるいはハンダ付けによって形成されている。半導体レーザ素子４０の下側電極（図示せず）とサブマウント３０とは、金スズ層により互いに接合されることで電気的に接続されている。
【００１６】
なお、サブマウント３０の材料は銅タングステンに特に限定されない。サブマウント３０の材料は、導電性であって、熱伝導率が高く、接合後に半導体レーザ素子４０への歪が小さくなるように熱膨張係数が調整されたものであればよい。例えば、銅モリブデン合金（Ｃｕ：Ｍｏ）を用いてもよいし、銅系材料からなる金属ブロック表面をダイヤモンド薄膜でコーティングした構成であってもよい。また、金スズ層は、必ずしも必要ではなく、金スズ層の代わりに導電性であって、熱伝導率の高い材料を用いても構わない。また、金スズ層を設けずに、半導体レーザ素子４０を直接、サブマウント３０に接合してもよい。
【００１７】
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している（いずれも図示せず）。下側電極は、サブマウント３０の金スズ層（図示せず）を介してサブマウント３０に接合され、サブマウント３０に電気的に接続されている。なお、前述したように、サブマウント３０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。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おり、半導体レーザ素子４０の前方の側面が、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３０の前方側面とがほぼ一致するようにサブマウント３０上に設けられている。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１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。
【００１８】
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６１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６１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６１との電気的接続を確保できる材料であればよい。また、図１に示すように、バンプ５０と上部電極ブロック６１との間に金箔等の金属シート５１を挿入してもよい。金属シート５１を挿入することにより、バンプ５０と金属シート５１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６１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５１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６１との間に挿入される金属シート５１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６１との間の電気的接続が十分に良好であれば、金属シート５１を挿入しなくてもよい。
【００１９】
下部電極ブロック６０は、例えば銅からなる板状の導電部材である。下部電極ブロック６０は、ヒートシンク２０の上面かつ後方の領域Ｓ２（ヒートシンク２０の上面の一部、図４Ｂ参照）に、サブマウント３０及び半導体レーザ素子４０と離間して配設されている。下部電極ブロック６０の下面の一部は、ヒートシンク２０の銅層２２ｂを介してヒートシンク２０に接合されており、下部電極ブロック６０の上面の一部には絶縁層７０が設けられている。
【００２０】
上部電極ブロック６１は、例えば銅からなる板状の導電部材である。上部電極ブロック６１は、ヒートシンク２０とで半導体レーザ素子４０及びサブマウント３０を挟持するように設けられている。上部電極ブロック６１は、半導体レーザ素子４０の上側電極にバンプ５０及び金属シート５１を介して電気的に接続されている。また、上部電極ブロック６１は、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０と上下方向に積層されている。なお、後述するように、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１は半導体レーザ素子４０で発生した熱を周囲の雰囲気中あるいはヒートシンク２０に向けて放熱する放熱部材としての機能も有している。また、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１の構成材料は特に銅に限定されず、他の金属材料や導電材料であってもよい。
【００２１】
絶縁層７０は、例えば、窒化アルミニウムのセラミック粉末を含む耐熱樹脂シートである。絶縁層７０は、下面に下部電極ブロック６０が、上面に上部電極ブロック６１がそれぞれ接するように設けられている。絶縁層７０は、下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１を電気的に絶縁する機能及び両者を伝熱可能に結合する機能を有している。なお、絶縁層７０の構成材料は、上記に特に限定されず、高い熱伝導率を有する材料であることが好ましく例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
【００２２】
以上のように構成された半導体レーザ装置１の動作は以下のように行われる。
【００２３】
まず、水冷ジャケット１０の流路１１，１２及びヒートシンク２０の流路２３に冷却水を流した状態で、下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１との間に所定の電圧を印加する。すると、ヒートシンク２０の銅層２２ｂとサブマウント３０とバンプ５０と金属シート５１とを介して、半導体レーザ素子４０の下側電極と上側電極との間に電流が流れ始める。当該電流が半導体レーザ素子４０の発振しきい値電流を越えると、共振器内でレーザ発振が起こり、レーザ光出射端面４０ａからレーザ光が前方に出射される。
【００２４】
［半導体レーザ装置１の熱排出について］
次に、半導体レーザ装置１の冷却水（冷媒）の流れについて説明する。
【００２５】
水冷ジャケット１０の後方側面に設けられた流入口１１ａから流路１１内に供給された冷却水は、流路１１のうち、下方に位置し水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｅ内を前方に流れる。さらに、サブマウント３０が配設された領域Ｓ１の下方から上方向に向かって流れ、開口１１ｃにより流路１１に連通されたヒートシンク２０内の流路２３内に供給される。冷却水は、流路２３内を半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａに向けて上方に流れ、絶縁部材２１の上面近傍で後方に折り返して流れる。下部電極ブロック６０の前方の側面近傍で冷却水はさらに下に折り返して流れ、開口１１ｄを通じて流路１１に供給される。冷却水は下方向に流れた後、流路１１のうち、上方に位置し水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｆ内を後方に流れ、排出口１１ｂから図示しないチラー等に供給される。また、水冷ジャケット１０の後方側面に設けられた流入口１２ａから流路１２内に供給された冷却水は、流路１２のうち、水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１２ｃに沿って半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａ近傍の下方まで前方に流れる。レーザ光出射端面４０ａ近傍の下方で紙面の奥側方向に折り返された流路１２に沿って冷却水が流れる。さらに、所定の位置で後方に折り返された流路１２に沿って、平行部１２ｄ内を冷却水が流れ、排出口１２ｂから図示しない別のチラー等に供給される。
【００２６】
なお、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆと流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄとの延在方向は特に上記に限定されず、水冷ジャケット１０の上面に対して所定の角度で傾斜する部分を有していてもよい。
【００２７】
次に、半導体レーザ装置１の熱排出経路について説明する。
【００２８】
図１に示すように、半導体レーザ素子４０で発生した熱は、主に４つの経路から外部に排出される。第１の熱排出経路Ｔ１は、半導体レーザ素子４０の下面側からサブマウント３０及びヒートシンク２０を介して、サブマウント３０の配設領域Ｓ１の下方に位置する流路２３に排出される経路である。第２の熱排出経路Ｔ２は、上部電極ブロック６１から周囲の雰囲気中に排出される経路である。第３の熱排出経路Ｔ３は、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１から絶縁層７０と下部電極ブロック６０とヒートシンク２０とを介して水冷ジャケット１０に排出される経路である。第４の熱排出経路Ｔ４は下部電極ブロック６０及びヒートシンク２０を介して水冷ジャケット１０に排出される経路である。
【００２９】
このうち、第１の熱排出経路Ｔ１を通る熱は、流路１１及び２３を流れる冷却水により半導体レーザ装置１から外部に排出される。一方、上部電極ブロック６１の近傍に冷却水が流れる流路は設けられていない。前述したように、従来の構成では、半導体レーザ素子４０から上部電極ブロック６１に流入する熱が、第２の熱排出経路Ｔ２を通って外部に排出されるが、その量が小さく、上部電極ブロック６１内に溜まりやすかった。そこで、本実施形態においては、熱伝導性の高い絶縁層７０を挟んで上部電極ブロック６１の一部と下部電極ブロック６０の一部とを積層するようにし、下部電極ブロック６０の下面の一部をヒートシンク２０と接するようにしている。また、ヒートシンク２０における下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２の下方には、水冷ジャケット１０内に流路１２が設けられており、流路１１とは独立に供給された冷却水によりヒートシンク２０を効率良く冷却している。このような構成とすることで、第３の熱排出経路Ｔ３に示すように、半導体レーザ素子４０で発生して上部電極ブロック６１内に溜まった熱が絶縁層７０及び下部電極ブロック６０を介してヒートシンク２０に排出される。さらに上記のように流路１２内を流れる冷却水によって半導体レーザ装置１の外部に熱が排出される。第４の熱排出経路Ｔ４を通る熱も同様に、ヒートシンク２０を介して、流路１２内を流れる冷却水によって半導体レーザ装置１の外部に排出される。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１を、下部電極ブロック６０を介してヒートシンク２０及び水冷ジャケット１０に熱的に結合させる。また、水冷ジャケット１０内に、半導体レーザ素子４０の下面側、つまりヒートシンク２０上のサブマウント３０の配設領域Ｓ１を主に冷却する流路１１と、ヒートシンク２０上の下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２を主に冷却する流路１２との２系統の流路を独立して設ける。このことにより、半導体レーザ素子４０から排出される熱、特に半導体レーザ素子４０の上面側に接続された上部電極ブロック６１に溜まる熱を効率的に排出することができる。この結果、半導体レーザ素子４０に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
【００３１】
また、流路１１において、上記のように冷却水の流れを規定することにより、半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａの下方に対して短い距離で冷却水を供給することができる。半導体レーザ装置１において、最も発熱量が大きいのは、レーザ光出射端面４０ａ近傍であるため、この部分を効率良く冷却するために、冷却水の流入口１１ａからレーザ光出射端面４０ａの下方に到達する流路はできるだけ短い方が好ましい。
【００３２】
また、図１に示す流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄは、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆよりも上方、つまり、ヒートシンク２０に近い側に設けられているのが好ましく、特に平行部１１ｆよりも上方に設けられているのがより好ましい。上記のように、流路２３内の冷却水は、レーザ光出射端面４０ａの下方を通過する際、最も暖められるため、平行部１１ｆを含む以降の流路において、冷却水によるヒートシンク２０の冷却効率は低下してしまう。一方、流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄの配置を上記のように設定することで、冷却水の流入口１２ａから供給され熱せられていない冷却水をヒートシンク２０に対し近い位置に流すことができる。流路１２を通る冷却水によって、下部電極ブロック６０がより効率良く冷却され、半導体レーザ装置１の冷却効率を高めることができる。このことにより、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
【００３３】
［半導体レーザ装置１及びその構成部材の製造方法］
図２は、水冷ジャケット１０の製造方法を説明する図である。図２に示すように、水冷ジャケット１０は、銅ブロック１３と銅板１６とが貼り合わせて形成される。銅ブロック１３は、冷媒の流入口１１ａ、排出口１１ｂを含む流路１１と孔１４ａ，１４ｂと溝１５ａ，１５ｂとを有する。孔１４ａ，１４ｂは、水冷ジャケット１０の開口１１ｃ，１１ｄに相当し、溝１５ａ，１５ｂは、水冷ジャケット１０の流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄに相当する。
【００３４】
また、銅板１６は、水冷ジャケット１０の流路１１の開口１１ｃ，１１ｄに相当する貫通孔１７ａ，１７ｂを有する。銅ブロック１３と銅板１６とは、孔１４ａと貫通孔１７ａとが重なり合うように、また孔１４ｂと貫通孔１７ｂとが重なり合うように貼り合わされる。また、これらを貼り合わせることにより、冷媒の流入口１２ａ、排出口１２ｂを含む流路１２が形成され、銅板１６の厚みを調整することにより平行部１２ｃ，１２ｄを水冷ジャケット１０の上面近傍に位置するように設けることができる。なお、銅ブロック１３と銅板１６とは、例えば、ロウ付けにより貼り合わされるが、接着材の構成材料は特にこれに限定されず、金属の薄箔等であってもよい。なお、冷媒の流入口１１ａ，１２ａ、排出口１１ｂ，１２ｂにおいては冷却水の水漏れを防止するためにＯリング等のシール部材を設けてもよい。
【００３５】
図３は、ヒートシンク２０の製造方法を説明する図である。図３に示すように、ヒートシンク２０は、所定の位置に溝２８や孔２９が設けられるように、絶縁板２４〜２６と銅層２２ａ，２２ｂとを積層して貼り合わせることにより形成されている。
【００３６】
絶縁板２４〜２６は窒化アルミニウムからなるセラミック板材あるいは窒化アルミニウムを含む耐熱樹脂シートである。これらの絶縁板をそれぞれに設けられた溝２８ａと溝２８ｂと溝２８ｃとが対応する位置で重なり合うように、また、孔２９ａと孔２９ｂとが対応する位置で重なり合うように貼り合わせることにより、流路２３を内部に有する絶縁部材２１が形成される。なお、絶縁板２４に設けられている溝２８ａは、流路２３の開口２３ａに対応する位置に、孔２９ａは、開口２３ｂに対応する位置に設けられている。
【００３７】
銅層２２ａ，２２ｂは銅箔あるいは銅粉末を所定量含有する導電性樹脂シートからなる。銅層２２ａには流路２３の開口２３ａ，２３ｂに相当する貫通孔２２ｃ，２２ｄが設けられている。
【００３８】
絶縁板２４〜２６が上記の方法で積層されてなる絶縁部材２１と銅層２２ａとを、絶縁板２４の溝２８ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｃとが重なり合うように、また絶縁板２４の孔２９ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｄとが重なり合うように貼り合わせる。さらに、絶縁部材２１に銅層２２ｂを貼り合わせてヒートシンク２０が完成する。
【００３９】
なお、銅層２２ａ，２２ｂをそれぞれ絶縁部材２１に貼り合わせる順番は上記と異なっていてもよい。また、絶縁板２４〜２６の構成材料は上記に特に限定されず、他の絶縁材料であってもよい。絶縁板２４〜２６を構成する材料は、熱伝導率が高く、半導体レーザ素子４０と熱膨張係数が近く、耐腐食性の高いものであればよい。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
【００４０】
なお、絶縁板２４〜２６の間の貼り合わせ、または絶縁部材２１と銅層２２ａ，２２ｂとの貼り合わせは、例えば、有機系材料からなる接着材により行うが、接着材の構成材料は特にこれに限定されない。なお、流路２３の開口２３ａ，２３ｂに対応する絶縁板２４の溝２８ａ及び孔２９ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｃ，２２ｄとの接続においては冷却水の水漏れを防止するために接続部分にＯリング等のシール部材を設けてもよい。
【００４１】
以上のように、水冷ジャケット１０を流路１１，１２の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路１１，１２の加工を簡素化することができる。同様に、ヒートシンク２０を流路２３の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路２３の加工を簡素化することができる。
【００４２】
図４Ａ〜図４Ｇは、半導体レーザ装置１の製造方法を説明する図である。
【００４３】
図３に示す方法で形成されたヒートシンク２０の上面の領域Ｓ１に銅層２２ｂを介してサブマウント３０を配置し、ヒートシンク２０とサブマウント３０とを接合する（図４Ａ）。
【００４４】
ヒートシンク２０の上面の領域Ｓ２に銅層２２ｂを介して下部電極ブロック６０を配置し、ヒートシンク２０と下部電極ブロック６０とを接続する（図４Ｂ）。サブマウント３０の上面に金スズ層を設け、さらに半導体レーザ素子４０を下側電極が金スズ層に接するように配置して、サブマウント３０と半導体レーザ素子４０とを接合する（図４Ｃ）。半導体レーザ素子４０の上側電極にバンプ５０を形成する（図４Ｄ）。
【００４５】
ここで、バンプ５０の形成方法について説明する。
【００４６】
例えば、超音波を与えつつ金ワイヤを半導体レーザ素子４０の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。
【００４７】
次に、下部電極ブロック６０の上面に絶縁層７０を設ける（図４Ｅ）。絶縁層７０が樹脂シートである場合は、例えば、有機系材料からなる接着材を用いて下部電極ブロック６０に絶縁層７０を貼り付ける。バンプ５０及び半導体レーザ素子４０の上面に金属シート５１を設けた後、上部電極ブロック６１をバンプ５０及び半導体レーザ素子４０と絶縁層７０の上面に配置する。上部電極ブロック６１を金属シート５１及びバンプ５０に接合するとともに、絶縁層７０に固着する（図４Ｆ）。絶縁層７０への固着は例えば、有機系材料からなる接着材を用いて行う。
【００４８】
次に、図２に示す方法で形成された水冷ジャケット１０の上面に、ヒートシンク２０を配置する。水冷ジャケット１０の上面に設けられた開口１１ｃ，１１ｄとヒートシンク２０の下面に設けられた開口２３ａ，２３ｂとが重なり合うようにして水冷ジャケット１０とヒートシンク２０とを接続する。流路１１と流路２３とを連通させて半導体レーザ装置１が完成する（図４Ｆ）。なお、冷却水の水漏れを防止するために開口１１ｃ，２３ａの接続部分及び開口１１ｄ，２３ｂの接続部分にＯリング等のシール部材を設けてもよい。
【００４９】
［効果等］
以上のように、本実施形態において、半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子４０を主に冷却する流路１１，２３と半導体レーザ素子４０に接続される上部電極ブロック６１を主に冷却する流路１２とを、独立して水冷ジャケット１０やヒートシンク２０に設けるようにした。具体的には、半導体レーザ装置１は、冷媒が流れる流路１１と流路１２とが内部に互いに独立して設けられた水冷ジャケット１０と、水冷ジャケット１０の上面に接触して設けられ、第１流路１１に連通する流路２３を内部に有する絶縁部材２１を含むヒートシンク２０と、ヒートシンク２０の上面の一部に設けられた下部電極ブロック６０と、ヒートシンク２０の上面の残部に設けられ、下部電極ブロック６０に電気的に接続された導電材料からなるサブマウント３０と、サブマウント３０の上面に配設され、サブマウント３０及び下部電極ブロック６０に電気的に接続された半導体レーザ素子４０と、ヒートシンク２０とでサブマウント３０及び半導体レーザ素子４０を挟持するように設けられ、半導体レーザ素子４０に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層７０によって下部電極ブロック６０と電気的に絶縁された上部電極ブロック６１とを備え、流路１２は下部電極ブロック６０の配設領域の下方に設けられている。
【００５０】
この構成によれば、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１を、伝熱可能な絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０、さらに水冷ジャケット１０及びヒートシンク２０に熱的に結合させることができる。また、水冷ジャケット１０に、流路１１と、下部電極ブロック６０の配設領域の下方を冷却する流路１２との２系統の流路を独立して設けることにより、下部電極ブロック６０を介して上部電極ブロック６１に溜まる熱を効率的に排出することができる。このことにより、半導体レーザ素子４０に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
【００５１】
また、流路２３は、サブマウント３０の配設領域Ｓ１の下方に設けられているのが好ましい。
【００５２】
この構成によれば、流路１１及び流路２３を流れる冷媒を通じて、サブマウント３０及び半導体レーザ素子４０の下面側を溜まる熱を効率的に排出することができる。
【００５３】
流路１１，１２は、それぞれ、水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｅ，１１ｆ，１２ｃ，１２ｄを有しており、流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄは、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆよりもヒートシンク２０に近い側に設けられているのが好ましい。
【００５４】
この構成によれば、半導体レーザ素子４０を主に冷却する流路１１，２３を流れる冷媒の温度上昇の影響を受けずに、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１を冷却することができる。
【００５５】
水冷ジャケット１０は、流路１１，１２の一部が設けられた複数の部材１３，１６を積層してなるのが好ましい。
【００５６】
この構成によれば、水冷ジャケット１０における流路１１，１２の加工を簡素化できる。ヒートシンク２０は、流路２３の一部が設けられた複数の部材２４，２５，２６を積層してなるのが好ましい。
【００５７】
この構成によれば、ヒートシンク２０における流路２３の加工を簡素化できる。また、絶縁部材２１及び絶縁層７０は、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高いのが好ましい。
【００５８】
（変形例１）
［半導体レーザ装置２の構成］
図５は、変形例１に係る半導体レーザ装置２の構成を示す断面図である。
【００５９】
実施形態に示す構成と本変形例に示す構成との違いは、本変形例の下部電極ブロック６０ａには、ヒートシンク２０の後方側面に沿って下方に延び、水冷ジャケット１０の上面に接する延長部が設けられている点にある。
【００６０】
図５に示すように下部電極ブロック６０ａを設けることで、下部電極ブロック６０ａと流路１２、特に平行部１２ｃ，１２ｄとの距離を縮められ、流路１２を流れる冷却水によって下部電極ブロック６０ａがより効率的に冷却される。また、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０ａに積層された上部電極ブロック６１の冷却効率も高めることができる。これにより、実施形態の半導体レーザ装置１をより高出力化できる。特に半導体レーザ素子４０が数十本の共振器を有するマルチエミッタタイプである場合、下部電極ブロック６０ａと上部電極ブロック６１との間には１００Ａ〜数百Ａの大電流が流れる。このような場合、下部電極ブロック６０ａ、上部電極ブロック６１ともに十分に冷却して半導体レーザ素子４０の温度上昇を抑える必要があるため、本変形例に示す構成は有効である。
【００６１】
なお、図示しないが、図５に示す構成において、下部電極ブロック６０ａと水冷ジャケット１０とが直接接している。そのため、下部電極ブロック６０ａと上部電極ブロック６１との絶縁を強化するために、下部電極ブロック６０ａと対向するサブマウント３０の側面に絶縁層を設けてもよい。また、水冷ジャケット１０の上面と下部電極ブロック６０ａの下面との間に絶縁層（図示せず）を設けてもよい。絶縁層の厚みは、下部電極ブロック６０ａからの熱排出を大きく阻害しない範囲で適宜選択される。また、この絶縁層を構成する材料は、熱伝導率が高く、耐腐食性の高いものがよいことはいうまでもない。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
【００６２】
［効果等］
以上のように、下部電極ブロック６０ａは、ヒートシンク２０の側面に沿って延びて水冷ジャケット１０の上面に接する延長部を有するのが好ましい。
【００６３】
この構成によれば、下部電極ブロック６０ａが直接、流路１２を流れる冷媒によって冷却され、下部電極ブロック６０ａ及び上部電極ブロック６１の冷却効率を高められる。
【００６４】
（変形例２）
図６は、変形例２に係る半導体レーザ装置３の構成を示す断面図である。
【００６５】
実施形態に示す構成と本変形例に示す構成との違いは、本変形例のヒートシンク２０ａの絶縁部材の内部には、流路２３と独立して流路２７（第４流路）が設けられ、当該流路２７と本変形例の水冷ジャケット１０ａ内の流路１９（第２流路）とが連通している点にある。
【００６６】
図６に示すようにヒートシンク２０ａ内の下部電極ブロック６０の配置領域Ｓ２の下方に流路２７を設け、水冷ジャケット１０ａの流路１９と連通させることにより、下部電極ブロック６０と流路２７との距離を縮められる。その結果、流路１９，２７を流れる冷却水によって下部電極ブロック６０がより効率的に冷却され、また、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０に積層された上部電極ブロック６１の冷却効率も高めることができる。これにより、実施形態の半導体レーザ装置１をより高出力化できる。変形例１と同様に、半導体レーザ素子４０が数十本の共振器を有するマルチエミッタタイプである場合、本変形例に示す構成は、半導体レーザ素子４０の温度上昇を抑制する点で有効である。
【００６７】
なお、半導体レーザ装置２における水冷ジャケット１０ａ及びヒートシンク２０ａも実施形態に示したのと同様の方法で形成することができる。つまり、水冷ジャケット１０ａを流路１１，１９の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路１１，１９の加工を簡素化することができる。同様に、ヒートシンク２０ａを流路２３，２７の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路２３，２７の加工を簡素化することができる。
【００６８】
［効果等］
以上のように、ヒートシンク２０ａの絶縁部材の内部には、流路１９に連通する流路２７が流路２３と独立に設けられているのが好ましい。
【００６９】
また、流路２７は、下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２の下方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６０と流路１９に連通する流路２７との距離が近くなるため、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１の冷却効率を高められる。
【００７０】
（その他の実施形態）
図６に示す半導体レーザ装置３において、下部電極ブロック６０の形状及び配置を図５に示す半導体レーザ装置２と同様にしてもよい。実施形態の半導体レーザ装置１の冷却効率をさらに高めることができる。
【００７１】
なお、変形例１，２を含む上記の実施形態において、流路１１における冷媒の流入口１１ａ及び排出口１１ｂを水冷ジャケット１０の後方側面に設けたが、それ以外の面に設けてもよい。ただし、レーザ光の出射方向と同じ側である前方側面に冷媒の流入口１１ａ及び排出口１１ｂを設けると、これらに接続される冷却水配管（図示せず）の設置場所に制約を受ける可能性がある。流路１２，１９における冷媒の流入口１２ａ，１９ａ及び排出口１２ｂ，１９ｂの配置についても同様である。
【００７２】
また、冷媒として冷却水を用いる例を示したが、水以外の冷媒、例えば、不凍液等を用いてもよい。なお、半導体レーザ素子４０を過度に冷却する、例えば、数℃まで冷却すると、レーザ光出射端面４０ａ等で結露するおそれがある。このような結露が生じると、レーザ発振が起こらなくなったり、場合によっては半導体レーザ装置１が破損したりするおそれがある。また、半導体レーザ素子４０の温度が６０℃を大きく越えると光出力特性が変化し、所望の出力が得られない場合がある。よって、動作中の半導体レーザ素子４０を１０℃〜４０℃程度の温度に維持できるように冷媒の種類を選択するか、冷媒の温度管理をするのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本開示の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の上下面の両方を効率良く冷却でき、高出力の半導体レーザ装置が得られるため、レーザ加工装置等に適用する上で産業上有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１〜３    半導体レーザ装置
１０，１０ａ    水冷ジャケット
１１    流路（第１流路）
１１ａ，１２ａ，１９ａ    冷媒の流入口
１１ｂ，１２ｂ，１９ｂ    冷媒の排出口
１１ｅ，１１ｆ    流路１１の平行部
１２，１９    流路（第２流路）
１２ｃ，１２ｄ    流路１２の平行部
１３    金属ブロック（銅ブロック）
１６    銅板
２０，２０ａ    ヒートシンク
２１    絶縁部材
２３    流路（第３流路）
２４〜２６    絶縁板
２７    流路（第４流路）
３０    サブマウント
４０    半導体レーザ素子
５０    バンプ
５１    金属シート
６０，６０ａ    下部電極ブロック
６１    上部電極ブロック
７０    絶縁層
Ｓ１    サブマウント３０の配設領域
Ｓ２    下部電極ブロック６０，６０ａの配設領域
【図１】
2019009172.tif 000003
【図２】
2019009172.tif 000004
【図３】
2019009172.tif 000005
【図４Ａ】
2019009172.tif 000006
【図４Ｂ】
2019009172.tif 000007
【図４Ｃ】
2019009172.tif 000008
【図４Ｄ】
2019009172.tif 000009
【図４Ｅ】
2019009172.tif 000010
【図４Ｆ】
2019009172.tif 000011
【図４Ｇ】
2019009172.tif 000012
【図５】
2019009172.tif 000013
【図６】
2019009172.tif 000014
【国際調査報告】
2019009172.tif 000015
2019009172.tif 000016
2019009172.tif 000017