(57)【要約】【課題】  冷却効率の優れたかつ冷却液路不良の修復が容易な冷却構造を備えるレーザ装置を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子が配設される基板（１）のヒートシンク側に、レーザ素子と対応してエッチング領域（１０）を設け、このエッチング領域をヒートシンクの溝領域（１４）と結合させて、冷却液路（１９）を形成する。基板を冷却液で直接冷却することにより、冷却効率を改善する。特に、このエッチング領域のエッチング表面は凹凸面であり、冷却液の乱流が生じやすく、また冷却液との接触面積が広くなり、冷却効率を改善することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主表面に発光素子部が形成される基板、および
前記基板の前記第１主表面と対向する第２主表面に対向して配置される冷却部材を備え、前記冷却部材は、前記基板を直接冷却液で冷却するように前記冷却液と前記基板とが接触するように前記発光素子部と対応して形成される冷却液路を備える、発光装置。
【請求項２】
前記基板の前記冷却液路と対応する部分は、少なくともその表面が凹凸形状を有するようにエッチング処理される、請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記基板は、前記冷却液路と対応する部分に形成され前記冷却液が流入する溝部を有する、請求項１記載の発光装置。
【請求項４】
前記冷却部材は、前記冷却液を搬送する流路が形成されるヒートシンクを備え、
前記ヒートシンクは、前記基板と対向する表面に、前記基板表面に形成される電極との接合を形成するための金または金合金層が形成される、請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
前記基板の前記冷却液路と対応する部分および前記冷却液路の少なくとも一部に形成される腐食保護層をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
前記保護層は、金またはシリコン酸化膜で形成される、請求項５記載の発光装置。
【請求項７】
前記冷却部材は、前記基板領域と接触する部分に形成される冷却液路と連通しかつその断面積が前記冷却液路よりも小さな冷却液導入路を備える、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
前記冷却部材は、前記基板と接触する部分に形成されて、前記冷却液を前記基板に対して噴射する噴流部を備える、請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項９】
前記基板は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムおよび炭化シリコンのいずれかを主要構成要素として含む、請求項１から８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１０】
前記冷却液路は、前記発光素子部直下部に形成される、請求項１から９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１１】
前記冷却液路は、前記発光素子部の直下部と異なる領域に形成される、請求項１から９のいずれかに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に、発光装置に関し、特に、レーザダイオードなどの発光素子の発光時の発熱による温度上昇を抑制する冷却部材を備える発光装置の構成に関する。より特定的には、この発明は、半導体レーザダイオードがアレイ状に配列されるレーザダイオードバー（ＬＤバー）を効率的に冷却する冷却構造を備えるレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、小型、軽量、高効率および長寿命等の特徴を有しており、光通信および光情報処理等の応用分野の光源として広く用いられている。この半導体レーザは鋭いスペクトルを有する放出光を生成するため、この半導体レーザを集積化して高出力化を図り、高出力固体レーザの励起用光源として用いられたり、また、この半導体レーザダイオードアレイ（ＬＤバー）の出力を集光して高出力半導体レーザ加工装置として用いるなどの用途が実現されている。
【０００３】
このような半導体レーザダイオードアレイ（ＬＤバー）から高光パワーを出力させる場合、この半導体レーザの電気−光変換効率が、通常、５０％程度であり、光パワー出力と同程度以上の多量の発熱が生じる。この発熱による熱飽和により、半導体レーザの出力の飽和が生じ、流入電流に応じてその出力光パワーを増大させることができなくなる。このため、ＬＤバーを冷却する冷却装置が不可欠となる。このような冷却装置として、ＬＤバーとヒートシンクとを接触させ、このヒートシンク内を冷却液を流すことにより、半導体レーザの発熱を抑制する構成が一般的に用いられる。
【０００４】
このヒートシンク内に形成される冷却水路の構成としては、たとえば特開２００３−８２７３号公報においては、ＬＤバーが載置される領域下部に、マイクロチャネルと呼ばれる微小水路を形成し、各半導体レーザに対応して、冷却水をマイクロチャネルに沿って流すことにより、ＬＤバーと冷却水との熱交換を行なう構成が示されている。
【０００５】
また、このマイクロチャネル方式の冷却装置の場合、冷却装置の内部構造（ヒートシンク内部構造）が複雑となるという問題が生じる。この問題を解決することを目的とする構成が、たとえば特開２００４−１８６２１２号公報に示されている。この特開２００４−１８６８１２号公報においては、冷却水路が形成された水冷ブロックに接触してヒートシンクを設け、このヒートシンク上にレーザダイオードアレイおよびこのレーザダイオードに駆動電流を供給する電流供給回路を配置する。このレーザダイオードアレイは、熱伝導度の優れたヒートスプレッダを介してヒートシンクに結合される。この特開２００４−１８６２１２号公報は、単に水冷ブロック上に平板状のヒートシンクを設けることにより、この冷却水路の形状を簡略化し、冷却装置の構成の簡略化および信頼性の改善を図る。
【０００６】
また、同様、冷却装置の構成を簡略化することを目的とする構成が、特開２００４−１９３２２８号公報に示されている。この特開２００４−１９３２２８号公報においては、ヒートシンク端部のレーザダイオードアレイを載置する領域に直線状に冷却水路を形成し、この直線状の冷却水路と直交する方向に冷却水排出口および冷却水導入口に接続する冷却水路を形成する。したがって、冷却水路がコの字状に形成され、冷却水路の屈曲部において冷却水の乱流を生じさせ、効率的に、レーザダイオードアレイの除熱を行なうことを図る。
【０００７】
また、簡易な回路構成で効率的に熱交換を行なうことを意図するヒートシンクの構造が、特開平８−１３９４７９号公報に示されている。この特開平８−１３９４７９号公報に示される構成においては、ヒートシンクのレーザダイオードアレイの下部領域に、内壁に凹凸面が形成された冷却領域を配置し、この冷却領域に対向して、銅製パイプで形成される水溜め部が設けられる。この水溜め部においては、レーザダイオードに対応して細孔が設けられ、加圧水路から導入される冷却水を細孔から冷却領域に向かって噴射する。この冷却領域に噴射された冷却水は、同様にヒートシンク内に設けられた空洞部を排出口水路として排出される。この特開平８−１３９４７９号公報においては、水溜め部に設けた細孔から冷却水を噴射することにより、冷却部に高圧で冷却液を噴射して、レーザダイオードから発生された熱を効率的に取除くことを図る。
【特許文献１】特開２００３−８２７３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８６２１２号公報
【特許文献３】特開２００４−１９３２２８号公報
【特許文献４】特開平８−１３９４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの特許文献１から４に示される構成においては、被冷却体のレーザダイオードは、ヒートシンクに形成された載置領域に配置される。したがって、この被冷却体のレーザダイオードと冷却水との間には、ある厚みを有するヒートシンク本体壁が介在しており、その熱交換効率は、ヒートシンクの本体壁の熱抵抗の影響を受ける。したがって、たとえば無酸素銅などの熱伝導率に優れた（熱抵抗の低い）ヒートシンク材が用いられても、その熱交換率は十分であるとはいえない。特に、固体レーザ励起およびレーザ加工などの用途において用いられる場合、要求される光出力パワーが増大してきており、応じて発熱量も増大する。したがって、このような高出力パワー用途において、ヒートシンク内に形成された冷却水路を流れる冷却水により間接的に被冷却体のレーザダイオードと熱交換を行なう方式では、十分に発熱を抑制することができなくなるという問題が生じる。
【０００９】
また、特許文献４に示される構成においては、ヒートシンク内部の空洞壁に形成される冷却部領域に凹凸面が形成され、この凹凸面に冷却水を噴射している。この特許文献４は、厚さ１ｍｍ程度の銅板からなるヒートシンク内に形成された空洞部に凹凸面を有する冷却領域を形成することが記載されているものの、どのようにこの凹凸面をレーザダイオードに対応して形成するかについては何ら開示していない。
【００１０】
それゆえ、この発明の目的は、効率的に半導体レーザ素子等の発光素子の冷却を行なうことのできる冷却構造を備える発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るレーザ装置は、第１主表面に発光素子部が形成される基板と、この基板の第２主表面に対向して配置される冷却部材を含む。この冷却部材は、基板を直接冷却液で冷却するように冷却液と基板とが接触するように発光素子と対応して形成される冷却液路を含む。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に従う発光装置においては、半導体発光素子の基板領域が、直接冷却液により冷却される。したがって、冷却液と半導体レーザ素子の基板領域の間には、ヒートシンク側壁などの熱抵抗成分は存在せず、効率的に熱交換を行なって発熱を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従う発光装置（以下、単にレーザ装置と称す）の断面構造を概略的に示す図である。図１において、レーザ装置は、基板１の主表面に形成される多層膜反射鏡２と、この多層膜反射鏡２表面上に互いに離間して配置されるＮ型クラッド層３と、Ｎ型クラッド層３上に形成される発光層４と、発光層４上に形成されるＰ型クラッド層５と、Ｐ型クラッド層５上に形成されるＰ型電極６と、このＰ型電極６上に形成される多層膜反射鏡７を含む。
【００１４】
基板１は、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の導電性材料で構成され、シリコンＳｉに比べて耐熱性に優れ、また、熱抵抗成分が小さい。
【００１５】
多層膜反射鏡２は、複数の半導体レーザ素子に共通に基板１の主表面に連続的に形成される。半導体レーザ素子ＬＤは、多層膜反射鏡７、Ｐ型電極６、Ｐ型クラッド層５、発光層４、Ｎ型クラッド層３、多層膜反射鏡２、基板１およびこの基板１下側表面に形成されるＮ電極８により形成される。半導体レーザ素子ＬＤは、互いに絶縁膜９により分離される。
【００１６】
半導体レーザ素子ＬＤは、いわゆる面発光レーザであり、多層膜反射鏡７の反射率が多層膜反射鏡２の反射率よりも低く、反射鏡２および７の間で反射した光が、多層膜反射鏡７を透過して発振光が出力される。
【００１７】
基板１の下側表面（第２主表面）に形成されるＮ電極８は、半導体レーザ素子ＬＤに対応してエッチング除去され、基板１の第２主表面には、エッチング領域１０が形成される。図１においては、このエッチング領域１０は、断面がテーパ形状を有する溝領域に形成されるように示される。このエッチング領域１０の形成方法については、後に詳細に説明する。
【００１８】
この基板１の第２主表面に対向して、ヒートシンク１２が設けられる。ヒートシンク１２は、たとえば無酸素銅などの熱伝導率の高い材料で構成される。ヒートシンク１２には、基板１の第２主表面に形成されるエッチング領域１０に対応して、溝領域１４が形成される。ヒートシンク１２は、その表面に形成される接合層１６により、エッチング領域１０と溝領域１４とが位置合わせして密着されるように、Ｎ型電極８と接合される。このエッチング領域１０および溝領域１４により、空洞領域が形成され、この空洞領域により、冷却液が流れる冷却水路１９が形成される。冷却水路１９を流れる冷却液は、純水またはアルコール等の熱交換率の高い冷却液である。
【００１９】
図１に示すように、冷却水路１９を流れる冷却液は、直接基板１に直接接触し、直接、基板１と熱交換を行なう。従来の冷却構造のように、ヒートシンクの側壁を介して冷却液が基板またはＮ電極と熱交換を行なう構成に比べて、冷却効果を改善することができる。特に、エッチング領域１０においては、エッチング処理により表面に凹凸面が形成されるため、冷却液と基板１との接触領域が増大し、またこの凹凸面により冷却液の乱流が生じるため、熱交換効率をより改善することができ、効率的に発熱を除去することができる。
【００２０】
この図１に示すレーザ装置において、基板１の第２主表面においては、半導体レーザ素子ＬＤの間の領域にエッチング領域１０が形成される。したがって、半導体レーザ素子ＬＤにおいては、Ｐ電極６およびＮ電極８は対向して配置されており、基板１に、たとえ窪み状のエッチング領域１０を形成しても、レーザ素子の電流経路は悪影響を受けず、したがって、何らレーザ発振動作に対し悪影響は及ぼさない。
【００２１】
図２は、図１に示すレーザ装置の平面レイアウトの１例を概略的に示す図である。この図２に示すレーザ装置においては、ヒートシンク１２の表面に、レーザダイオードアレイＬＤＢが載置される。このレーザダイオードアレイ（ＬＤバー）ＬＤＢには、複数の半導体レーザ素子ＬＤが離間して配置される。このレーザダイオードアレイＬＤＢ下部には、エッチング領域１０およびヒートシンクの溝部とにより、冷却水路１９が形成される。
【００２２】
ヒートシンク１２が、冷却液導入口２１に連通する中空冷却水路２０を含む。この中空冷却水路２０は、レーザダイオードアレイＬＤＢに沿っ延在する長辺を有する矩形形状を１例として有し、冷却水路１９と連通する。
【００２３】
レーザダイオードアレイＬＤＢの他方側において、またヒートシンク１２は、冷却液排出口２２に連通する中空冷却水路２４を含む。この中空冷却水路２４も、またレーザダイオードアレイＬＤＢの冷却水路１９と連通し、冷却液導入口２１から導入されて冷却水路１９を介して流れた冷却液を、排出口２２へ導く。
【００２４】
この配置においては、半導体レーザ素子ＬＤは、面発光レーザであり、このヒートシンク１２と接触する面と垂直方向に光を放出する。このヒートシンク１２上部において、レーザダイオードアレイＬＤＢを載置する領域（上部領域）を設けることにより、この空洞冷却水路２０および２４と冷却水路１９とを連通させることができる。この構成の場合、半導体レーザ素子ＬＤは、その端部（端面）が絶縁膜９により覆われており、ヒートシンク１２の端部にレーザダイオード素子ＬＤが接触しても、発光素子部はヒートシンクと電気的に絶縁されており何ら問題は生じない。
【００２５】
図３は、レーザ装置の全体の構成の他の構成を概略的に示す図である。この図３に示すレーザ装置においては、レーザダイオードアレイＬＤＢに配置される半導体レーザ素子ＬＤが、図３の紙面に平行な方向にレーザ光ｈνを放出する。この半導体レーザ素子ＬＤからのレーザ光ｈνは、図示しないマイクロレンズなどにより集光される。
【００２６】
レーザダイオードアレイＬＤＢの基板領域に対向してヒートシンク１２が配置される。このヒートシンク１２においては、その上部表面に冷却液導入口３１が形成され、この冷却液導入口３１に連通して冷却水路１９に連通する中空領域３２が形成される。
【００２７】
冷却水路１９の下部には、また冷却水路１９と連通する中空領域３４が形成される。この中空領域３４は、ヒートシンク裏面（低部）に形成された冷却液排出口３６に連通する。
【００２８】
したがって、この冷却液導入口３１から導入された冷却液が、中空領域３２から冷却水路１９へ導入され、この冷却水路１９を半導体レーザ素子ＬＤに沿って流れた冷却液は、再び、下部に形成される中空領域３４を介して排出口３６から排出される。
【００２９】
したがって、この図３に示すようにレーザ装置の発光面が、紙面垂直方向の場合においても、確実に、このレーザダイオードアレイＬＤＢの基板領域に形成される冷却水路１９により、直接冷却することができる。この図３に示す構成の場合、レーザ装置をスタックし、二次元レーザダイオードアレイを形成することが容易に実現することができる。
【００３０】
図４は、図３に示すヒートシンク１２の構成の一例を概略的に示す図である。図４において、ヒートシンク１２は、上側カバー部３０と、本体３８と、下側カバー部３３を含む。上側カバー部３０には、冷却液を導入する導入口３１と、この上側カバー部３０の下面に冷却液導入口３１と連通する深堀領域３２が形成される。この深堀領域３２は上側カバー部３０の厚さよりも小さな深さを有し、冷却液案内溝として作用する。
【００３１】
本体３８には、レーザダイオードアレイＬＤＢのエッチング領域１０に対応して、冷却水路を形成する溝領域１４が、その上面から下面に連続的に形成される。このエッチング領域１０および溝領域１４により、冷却水路１９が形成される。
【００３２】
下側カバー部３３は、その上面に、下側−カバー部３３のアツミよりも深さの浅い深堀領域３４が形成される。この深堀領域３４は、下側カバー部を貫通する冷却液排水口３６と連通する。この深堀領域３４は、冷却水路１９を介して流出された冷却液をすべて受けて、排出口３６へ導く。
【００３３】
本体３８は、レーザダイオードアレイＬＤＢと接合される面においてのみ冷却水路を形成する溝領域１４が形成されて、端面は平坦である。したがって、この上側カバー部３０、本体３８および下側カバー部３３をねじなどにより一体的に結合することにより、冷却液導入口３１から導入された冷却液が、深堀領域３２を介して冷却水路１９へ導かれ、次いで、下側カバー部３３に形成される深堀領域３４に集められて、最終的に冷却液排出口３６から排出される。
【００３４】
この図３および図４に示される構成において、冷却液導入口および冷却液排出口はヒートシンクの上下面ではなく、その側面に形成されても良い。
【００３５】
このヒートシンク１９の具体的構成は、図２および図４に示される構成に限定されず、レーザダイオードアレイＬＤＢの基板領域に形成されるエッチング領域１０に対向して、冷却水路がヒートシンクに形成される構成であればよい。
【００３６】
次に、基板領域に対してエッチング領域１０を設ける方法について、具体的に説明する。
【００３７】
図５は、レーザ装置の基板１のエッチング領域１０の構造の一例を概略的に示す図である。この図５に示すように、基板１の裏面（第２主表面）には、Ｎ電極８が形成される。このＮ電極８に対し、エッチング処理を施し、基板１の第２主表面を露出させる。
【００３８】
この基板１が、たとえばＧａＮを主要構成要素とする場合、ＫＯＨ（水酸化カリウム）によるウエットエッチングを行った場合、エッチング領域１０の表面には凹凸面４０が形成される。この場合、８０℃、８規定のＫＯＨ中に、基板１を浸漬した場合、約１０μｍ／ｈ程度の速度でエッチングが進行する。この条件の場合、凹凸面４０のピッチは、１μｍ程度であり、また、凹凸面４０の凹凸形状は、底面形状が六角形のピラミッド形状となる。この基板１の第２主表面のエッチング領域１０に、凹凸面４０をウエットエッチングにより形成することにより、冷却液との接触面積が大きくなり、また、この凹凸面４０により冷却液の対流が生じ、効率的に熱交換を行なうことができる。
【００３９】
このＫＯＨをエッチング液としてウエットエッチングを行なう場合、Ｎ電極８に対しマスクをする必要がある。ＫＯＨエッチング液に対する安定なマスク材としては、チタンＴｉ等のメタルを利用することが可能である。チタンＴｉをエッチングマスクとしてエッチング領域１０を形成した場合、エッチング工程後、このチタンをＮ電極として利用することができ、別の電極層を形成する工程を省略することができる。ただし、エッチングマスクとしてチタンＴｉを利用する場合でも、チタンＴｉが、エッチング液により少し溶解するため、このエッチング深さに応じて、Ｔｉエッチングマスクの膜厚を、エッチング深さ程度厚くする必要がある。
【００４０】
図６は、エッチング領域１０の他の構造を概略的に示す図である。図６に示す構成においては、エッチング領域１０には、深堀溝部４２が形成される。この深堀溝部４２は、たとえばダイシングを浅く行なうことにより、所定の深さのダイシングラインが溝部として形成される。この後、先の図５において示すエッチング領域と同様のウエットエッチングを行なうことにより、このダイシング領域の表面に凹凸面を形成する。深堀溝部４２の断面形状は、このダイシングを行なうブレードの形状により、所望の形状に設定することができる。このダイシングの後に、ウエットエッチングを行なうことにより、基板１に対するダイシングのダメージを除去することができ、また深堀溝部４２の表面に凹凸面を形成することができる。
【００４１】
この図６に示すエッチング領域１０の構成の場合、基板１と冷却液の接触面積をより増大させることができ、より効率的に、熱交換を行なうことができる。
【００４２】
また、この深堀溝部４２を形成する場合、ダイシングを行なう方法に代えて、塩化ボロン（ＢＣＬ３）または塩素ガス（ＣＬ２）を用いてドライエッチングを行なうことにより、溝部を形成することも考えられる。この場合、ドライエッチングにより、正確に、断面が鋭角な溝領域を形成することができる。このドライエッチングを行なう場合、エッチングレートとしては、１００ｎｍ／ｍｉｎ程度で行なって、所望の深さに、エッチング領域１０に急峻な側壁を有する溝領域を形成することができる。
【００４３】
このドライエッチング法を行なう場合には、ウエットエッチング時と異なり、凹凸面がエッチング面に形成される度合いは小さい。しかしながら、溝部を形成することにより、基板１と冷却液の接触面積を大きくすることができ、冷却効率を改善することができる。
【００４４】
なお、図１に示す接合層１６は、金または金合金で構成することにより、電蝕などによる腐食を防止することができる。この場合、半導体レーザ素子ＬＤのＮ電極８も金で形成し、接合層１６も金で形成することにより、金−金接合を固溶により形成することができ、確実な接合を形成することができ、また電蝕等による腐食を防止することができる。
【００４５】
この場合、図７に示すように、冷却水路１９の冷却液に接触する面にも、金または金合金層を形成することにより、この冷却液による腐食を防止することができる。この場合、冷却水路１９のエッチング領域１０および溝部１４表面には、酸化シリコン膜が形成されてもよい。この場合、図７に示すように基板１のエッチング領域１０およびヒートシンク１２の溝領域１４表面に、金、金合金または酸化シリコンで保護膜４４ａおよび４４ｂを形成することにより、冷却水路１９を流れる冷却液による基板１およびヒートシンク１２の腐食を防止することができる。
【００４６】
これらの保護層４４ａおよび４４ｂが形成される場合においても、エッチング領域１０の表面に凹凸部が形成されており、この保護層４４ａおよび４４ｂの膜厚を比較的薄くすることにより、表面の凹凸形状を保護層４４ａの表面形状にも反映させることができ、同様、冷却水路１９における冷却液の基板１との接触面積を等価的に大きくすることができる。また、保護層４４ａの表面に凹凸が形成されない場合においても、エッチング領域１０の基板１の表面に凹凸面が形成されているために、保護層４４ａとエッチング領域１０の基板との接触面積を十分大きくすることができ、保護層４４ａの熱抵抗が十分小さいため、等価的に、冷却液と基板１との接触面積を大きくすることができる。
【００４７】
なお、このＮ電極８および接合層１６は、基板１の溝部形成時のウエットエッチングに対するマスクとなるチタンで形成されてもよい。Ｎ電極８および接合層１６を同一材料の金属または合金で形成することにより、容易に固溶による接合を形成することができ、腐食を防止することができまた、冷却液の漏れを防止することができる。
【００４８】
以上のように、この発明の実施の形態１に従えば、基板領域を直接、冷却液で冷却するように構成しており、効率的に熱交換を行なって、レーザ素子を冷却することができる。
【００４９】
なお、基板１の溝部のエッチング領域１０表面にのみまたはヒートシンク１２の溝領域表面のみに保護膜が形成されてもよい。耐腐食性の小さい部分にのみ保護層を形成することにより、冷却液による腐食を防止することができる。
【００５０】
［実施の形態２］
図８は、この発明の実施の形態２に従うレーザ装置の要部の構成を概略的に示す図である。この図８に示すレーザ装置は、図１に示すレーザ装置と以下の点でその構成が異なる。すなわち、ヒートシンク１２において、このヒートシンク１２自体を冷却するための冷却水路５０が設けられる。この図８に示すレーザ装置の他の構成は、図１に示すレーザ装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【００５１】
この図８に示す構成の場合、ヒートシンク本体が、冷却水路５０を流れる冷却液により冷却され、その温度上昇が抑制される。したがって、接合層１６を介しての、基板１とヒートシンク１２の間の熱交換をより効率的に行なうことができる。従って、冷却水路１９による基板１の冷却のみならず接合層１６を熱交換領域として利用することができ、より冷却効率を改善することができる。
【００５２】
この冷却水路５０は、各レーザ素子ＬＤに対応して配置されても良く、また、所定数のレーザ素子ＬＤに対応して配置されても良い。
【００５３】
以上のように、この発明の実施の形態２に従えば、ヒートシンク本体を冷却する冷却水路５０を、基板直冷用の冷却水路１９と別に設けており、ヒートシンク１２の温度上昇を抑制でき、より効率的に、基板とヒートシンクとの間の熱交換を行なうことができる。
【００５４】
［実施の形態３］
図９は、この発明の実施の形態３に従うレーザ装置の要部の構成を概略的に示す図である。この図９に示すレーザ装置においては、冷却水路５５が、半導体レーザ素子ＬＤと整列して配置されるように形成される。この冷却水路５５は、ヒートシンク１２表面に形成される溝領域６４と、基板１の裏面に形成されるエッチング領域６０を含む。この図９に示すレーザ装置の他の構成は、図１に示すレーザ装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【００５５】
エッチング領域６０は、実施の形態１のエッチング領域１０と同じ同様であり、形成される位置が異なるだけである。冷却水路５５が半導体レーザ素子の発光層直下部に形成される。このレーザ装置において最も発熱の大きい部分は、半導体レーザ素子ＬＤにおいて電流閉込めによる発振動作が行なわれる領域である。したがって、この発熱の最も大きい領域に対応して冷却水路５５を配置することにより、効率的に半導体レーザ素子ＬＤにおける発熱を吸収することができる。
【００５６】
この図９に示す構成の場合、半導体レーザ素子ＬＤにおいてＰ電極６直下の領域に、Ｎ電極８は形成されず、このＮ電極８は、半導体レーザ素子ＬＤ間の領域に形成される。しかしながら、基板１は、導電性材料で形成されており、発光層４直下部に電極８が形成されていない場合においても、電流は十分に、この基板１内を拡散して、Ｎ電極８に到達することができ、十分に半導体レーザ素子において、その発光効率を低下させることなくレーザ発振を行なわせることができる。
【００５７】
以上のように、この発明の実施の形態３に従えば、半導体レーザ素子の発光層直下部に冷却水路を直接基板領域を液冷するように形成しており、レーザ発振効率を低下させることなく冷却効率をより改善することができる。
【００５８】
［実施の形態４］
図１０は、この発明の実施の形態４に従うレーザ装置の要部の断面構造を概略的に示す図である。ヒートシンクには、冷却液を導入する冷却液導入路７５と、各半導体レーザ素子ＬＤに対応して形成される冷却液噴射口７６と、この噴射口７６から噴射された冷却液を排出する冷却液排出路７７とが形成される。断面構造においては、ヒートシンクに形成される溝領域８２は、冷却液排出路７７と連通し、このヒートシンクの溝領域８２に対応して、基板１には、エッチング領域６０が形成される。ヒートシンクの冷却水路７４は、溝領域８２とエッチング領域６０とで形成される。冷却水路７４に対応して冷却液噴射口７６が形成される。この冷却水路７４は、半導体レーザ素子と整列して形成され、冷却液噴射口７６からの噴射冷却液により基板領域を冷却する。
【００５９】
この半導体レーザ素子ＬＤの構成は、先の図９に示す半導体レーザ素子ＬＤの構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【００６０】
冷却液導入路７５は、ヒートシンク底部領域７０とヒートシンク中間領域７１の間に形成され、冷却液排出路７７は、ヒートシンク中間領域７１とヒートシンク上部領域７２の間に形成される。このヒートシンク上部領域７２は、その領域または形状が、溝部領域８２により規定される。冷却液噴出口７６は、このヒートシンク７１において、冷却水路７４と冷却液導入路７５とを導通するように形成される。
【００６１】
この図１０に示すレーザ装置の構成においては、冷却液導入路７５を流れる冷却液が、冷却液噴出口７６を介して冷却水路７４へ噴出される。この噴出された冷却液９０は、基板１のエッチング領域６０へ噴射液９１として噴射され、基板１を冷却する。この噴射冷却液９１は、基板１面（エッチング領域）に噴射された後、衝突エネルギにより冷却液排出路７７へ、排出冷却液９２として排出される。
【００６２】
基板１が、エッチング領域６０において、噴射冷却液９１により冷却されるため、基板１に対して、等価的に冷却液の流速を高くすることができ、また、基板１との熱交換後冷却液が排出冷却液９２となって排出されるため、常に、基板１に対しては熱交換前の冷却液を噴射させることができ、基板１の冷却効率を改善することができる。また、冷却水路の冷却液の表面領域においてのみ熱交換する構成に較べて、噴射冷却液のほぼ全体を熱交換に利用することができ、熱交換に寄与する冷却液量を増大させることができ、熱交換効率を改善することができる。
【００６３】
図１１は、図１０に示すヒートシンクの構成の一例を概略的に示す図である。冷却液噴出口７６は、ピンホールとして、複数口整列して、冷却水路に対応して形成されてもよいが、図１１においては、図面を簡略化するため、この冷却液噴出口７６は、スリット状に形成される場合の構成を、一例として示す。
【００６４】
また、ヒートシンクは、一体的に形成されてよいものの、この図１１においては、冷却液導入路および冷却液排出路の構成をより明確に示すために、ヒートシンクを、中間領域において上部領域および下部領域の２つの領域に分割した構成を示す。
【００６５】
図１１において、ヒートシンクの上部領域（上面）７２およびヒートシンク中間領域７１の間に、空洞路が、冷却液排出路７７として形成される。このヒートシンク上部領域７２の、冷却水路７４に対応する領域に、溝領域８２が形成される。この溝領域８２は、冷却液排出路７７と連通する。この溝領域８２の底部領域において、ヒートシンク中間領域７１にまで到達する噴射口７６が、１例としてスリット状に形成される。
【００６６】
ヒートシンク中央領域７１とヒートシンク底部領域７０の間の領域において、冷却液導入路を形成する空洞路７５が形成される。このヒートシンク中央領域７１表面から冷却液導入路７５にまで連通する冷却液噴出口７６が、スリット状に形成される。この冷却液導入路７５に連通する噴射口７６が、冷却水路７４に連通する噴射口７６と位置合わせされて形成される。
【００６７】
これらの図１１に示す上側領域および下側領域のヒートシンクを一体的に形成することにより、冷却水路７４に対応する領域に噴射口７６を形成して、この冷却水路７４に連通する冷却液排出路７７を形成することができる。この構造において、冷却液導入路７５をＸ方向に冷却液が加圧されて流れる場合、噴射口７６により、Ｚ方向に冷却液がその圧力により噴出され、冷却水路７４において噴射冷却液が生成され、その後、この冷却水路７４の溝領域８２に連通する冷却液排出路７７により、冷却液が排出される。
【００６８】
この冷却液排出路７７を流れる冷却液は、図示しない排出口により、ポンプ等により強制的に排出されてもよい。またこれに代えて、Ｙ方向の一方側に、各冷却液排出路７７と連通するメインの排出路を設け、このメインの排出路を、冷却機（チラー）に結合される排出口に接続してもよい。
【００６９】
なお、この冷却液導入路７５および冷却液排出路７７の断面形状は矩形形状に形成されている。しかしながら、これらの冷却液導入路７５および冷却液排出路７７の断面形状は、たとえば楕円形状であってもよい。
【００７０】
また、この噴射口７６がスリット状に連続的に形成されているものの、前述のようにピンホール状に、複数個離散して噴射口７６が形成されてもよい。また、冷却液導入口７５および冷却液排出路７７は、それぞれ個別的に分離されたたとえばパイプ状の空洞管が複数本配列されて形成されてもよい。
【００７１】
以上のように、この発明の実施の形態４に従えば、冷却水路に対し、噴射口からの噴射冷却液を噴出するように構成しており、噴射冷却液で基板を急速に冷却することができ、冷却効率を改善することができる。
【００７２】
［実施の形態５］
図１２は、図１２は、この発明の実施の形態５に従うレーザ装置の冷却構造を概略的に示す図である。図１２においては、レーザ装置のヒートシンク１００と、このヒートシンク１００に形成される冷却水路１０２を示す。このヒートシンク１００に形成される冷却水路１０２の構成としては、実施の形態１から３のいずれの構成が用いられてもよい。このヒートシンク本体には、冷却液導入口１０４と冷却液搬出口１０６が設けられる。このヒートシンク１００へは、冷却液が、チラー（冷却機）１１０から供給される。このチラー１１０は、冷却液搬出口１１２と冷却液搬入口１１４を含む。このチラー１１０の冷却液送出口１１２は、たとえばチューブなどの連結管１２０およびフィルタ１１５を介してヒートシンク１００の冷却液導入口１０４に結合される。このヒートシンク１００の冷却液排出口１０６は、たとえばチューブなどの連結管１２２を介してチラー１１０の冷却液搬入口１１４に結合される。
【００７３】
フィルタ１１５は、径ｄ２以上の粒子の通過を防止する。ヒートシンク１００に形成される冷却水路１０２の径はｄ１であり、冷却液導入口１０４から導入される冷却液に含まれる粒子の最大径は、フィルタ１１５によりｄ２に制限され、冷却水路１０２の径ｄ１よりも小さい。したがって、ヒートシンク１００において、冷却液のパーティクルにより、冷却水路１０２が遮断されまたは冷却水路が狭くなり、冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００７４】
この図１２に示す冷却構造の構成の場合、フィルタ１１５が径の大きなパーティクルにより詰った場合、フィルタ１１５の交換を行なうだけで、冷却液搬送路を修復することができ、ヒートシンク１００の交換を行なう必要がなく、容易に冷却液搬送路の詰りに対応することができる。また、フィルタ１１５の価格は、レーザ装置本体の価格に比べて安価であり、冷却液の詰りに起因するレーザ装置の故障をレーザ装置全体の交換を行なうことなく行なうことができる。
【００７５】
なお、フィルタ１１５は、ヒートシンク１００の冷却液導入口に脱着可能に取付けられていればよく、任意の構造のフィルタを利用することができる。
【００７６】
以上のように、この発明の実施の形態５に従えば、ヒートシンクの冷却水路に対しては、この冷却水路の径よりも小さな径を有する冷却液流路を介して冷却液を導入しており、ヒートシンクの冷却水路の詰りを確実に防止することができる。また、このヒートシンクの冷却水路の径よりも小さな透過径の小さなフィルタを設けることにより、径の大きなパーティクルに起因する冷却水路の詰りをフィルタの交換により修復することができ、装置の修繕を容易に行なうことができ、また冷却水路詰りに起因する修復を安価に行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明に従うレーザ装置は、高出力が要求される発光装置、特に固体半導体レーザ励起用のレーザ装置およびレーザ加工用のレーザ装置に適用することができる。
【００７８】
また、レーザ素子の構造としては、面発光レーザに限定されず、基板面と平行な方向に発光するレーザ素子に対しても本発明は適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置の要部の断面構造を概略的に示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置の平面レイアウトを概略的に示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置のヒートシンク載置時の他の構成を概略的に示す図である。
【図４】図３に示すレーザ装置の概略分解組立図である。
【図５】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置の変更例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置の変更例の構成を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１に従うレーザ装置の変更例３の構成の断面構造を概略的に示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に従うレーザ装置の要部の断面構造を概略的に示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３に従うレーザ装置の要部の断面構造を概略的に示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に従うレーザ装置の要部の断面構造を概略的に示す図である。
【図１１】図１０に示すレーザ装置のヒートシンクの構成の一例を概略的に示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に従うレーザ装置の冷却構造の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
ＬＤ  半導体レーザ素子、１  基板、１０  エッチング領域、１４  溝領域、１２  ヒートシンク本体、１６  接合層、８  ｎ電極、１９  冷却水路、ＬＤＢ  レーザダイオードアレイ、２１  冷却液導入口、２２  冷却液排出口、４０  凹凸面、４２  深彫領域、４４ａ，４４ｂ  保護層、５０，５５  冷却水路、６０  エッチング領域、６４  溝領域、６０  エッチング領域、８２  溝領域、７０  ヒートシンク底部領域、７１  ヒートシンク中間領域、７２  ヒートシンク上部領域、７４  冷却水路、７６  冷却液噴射口、７５  冷却液導入路、７７  冷却液排出路、１００  ヒートシンク、１０２  冷却水路、１０４  冷却液導入口、１０６  冷却液排出口、１１５  フィルタ、１２０，１２２  連結管、１１０  チラー、１１２  冷却液送出口、１１４  冷却液搬入口。
【図１】
2006086192.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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