(57)【要約】【課題】  半導体レーザー装置の温度上昇が抑えて、簡易な構成でレーザー光の発散角を広げることができる半導体レーザー装置を実現する。【解決手段】  半導体レーザー装置（１００）は、半導体レーザー素子（３）、反射素子（４）及びヒートシンク（１）を備える。半導体レーザー素子（３）は、レーザー光（８）を出射する。反射素子（４）は、レーザー光（８）を反射面で拡散反射する。ヒートシンク（１）は、半導体レーザー素子（３）及び反射素子（４）を保持し、半導体レーザー素子（３）及び反射素子（４）で発生した熱を放熱する。【選択図】  図１
2015233053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射する半導体レーザー素子と、
前記レーザー光を反射面で拡散反射する反射素子と、
前記半導体レーザー素子及び前記反射素子を保持し、前記半導体レーザー素子及び前記反射素子で発生した熱を放熱するヒートシンクと
を備える半導体レーザー装置。
【請求項２】
前記反射素子は、前記反射面上に複数の微細光学素子を備える請求項１に記載の半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力の半導体レーザー装置の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザーは、通信機器又は画像再生装置などで広く使われており、使用用途に合わせたパッケージが各種用意されている。半導体レーザーは、素子の温度上昇に伴い特性が大きく変化する。例えば、広く使われている金属パッケージでは、金属性ヒートシンクを配置して、放熱性を確保している。金属性ヒートシンクは、金属性ヒートシンクの基端がサブマウントの一つの面に一体化されて配置されている。ここで、「基端」とは、基準となる端面のことである。また、「一体化」とは、熱伝導性を向上させるために密着して配置されていることをいう。半導体レーザー素子は、サブマウントの表面に配置されることで放熱性を確保している。また、パッケージの材料には、半導体レーザー素子と線熱膨張係数が近く、熱伝導率が高い材料を用いる方法も提案されている。パッケージの材料としては、例えば、銅タングステン又は窒化アルミニウム等である。
【０００３】
また、半導体レーザー素子のダイボンド面から外気までの熱抵抗を下げるために、半導体レーザー素子をヒートシンク上に直接配置し、半導体レーザーの光路上に配置した反射面によってレーザー光を取り出す方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
レーザー光には、高い直進性、可干渉性及び単波長であるなどの特性がある。しかし、近年増えつつある照明用途で半導体レーザー装置を使う場合には、レーザー光のもつ高い直進性及び可干渉性は必要ない。逆に、照明用途では、光を拡散させることが求められる。そのため、光路上にレンズなどを配置して拡散光学系を形成する必要がある。これにより、部品点数の増加又は組立性の煩雑化等により、コスト高の要因になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１２９７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、高出力化が進む半導体レーザー装置では、放熱性の向上が必要である。
【０００７】
また、高い直進性及び可干渉性を有するレーザー光を拡散させるための拡散光学系を用いる必要がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みて成されたものであって、高出力であっても半導体レーザー素子の放熱性能を向上して、簡易な構成でレーザー光の発散角を広げる半導体レーザー装置を得ることを目的にする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記に鑑みて成されたものであって、レーザー光を出射する半導体レーザー素子と、前記レーザー光を反射面で拡散反射する反射素子と、前記半導体レーザー素子及び前記反射素子を保持し、前記半導体レーザー素子及び前記反射素子で発生した熱を放熱するヒートシンクとを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体レーザー装置の温度上昇が抑えて、簡易な構成でレーザー光の発散角を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の半導体レーザー装置の構成図である。
【図２】実施の形態１の半導体レーザー素子からレーザー光が出射される様子を示した図である。
【図３】実施の形態１の半導体レーザー装置を基板の上に配置した例を示した図である。
【図４】実施の形態１の半導体レーザー装置のレーザー光の光強度分布を示したコンター図である。
【図５】実施の形態２の半導体レーザー装置の構成図である。
【図６】実施の形態２の半導体レーザー装置のレーザー光の光強度分布を示したコンター図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図の説明を容易にするためにＸＹＺ座標を用いて説明する。半導体レーザー素子３からレーザー光が出射される方向と平行な軸をＸ軸とする。半導体レーザー装置１００からレーザー光が出射される方向と平行な軸をＺ軸とする。Ｘ−Ｚ平面に垂直な軸をＹ軸とする。また、半導体レーザー素子からレーザー光が出射される方向を−Ｘ軸方向とする。半導体レーザー装置１００からレーザー光が出射される方向を＋Ｚ軸方向とする。＋Ｚ軸方向を上側として、＋Ｘ軸方向を向いて右側を＋Ｙ軸方向とする。
【００１３】
実施の形態１．
【００１４】
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体レーザー装置１００を＋Ｙ軸方向から見た構成図である。図１中の上方向が＋Ｚ軸方向である。半導体レーザー装置１００は、半導体レーザー素子３及び反射素子４を有している。また、半導体レーザー装置１００は、ヒートシンク１、サブマウント２又はキャップ６を有することができる。図１に示す半導体レーザー装置１００は、ヒートシンク１及びキャップ６で囲まれた封止された空間内に、サブマウント２、半導体レーザー素子３及び反射素子４が配置されている。また、キャップ６は、出射窓７を有している。出射窓７は、レーザー光を透過する部材で形成されている。出射窓７は、例えば、ガラス等で形成されている。また、図示していないが、半導体レーザー装置１００は、電極線を有することができる。電極線は、半導体レーザー素子３に電流を流すために、半導体レーザー素子３のＰ型クラッド層とサブマウント２とから半導体レーザー装置１００の外部に導かれる。
【００１５】
半導体レーザー装置１００は、ヒートシンク１及びキャップ６を用いて光学系全体を封止している。「封止」とは、精密部品などを外気に触れないように隙間なく包むことである。これにより、結露等による半導体レーザー素子への損傷を防ぐ。また、半導体レーザー装置１００の中に、埃などが混入することで発生する障害を防止することができる。
【００１６】
ヒートシンク１は、例えば、銅などの熱伝導性の高い金属で構成されている。半導体レーザー装置１００は、基板又は専用に設計されたホルダーに取り付けて使用される。ヒートシンク１は、半導体レーザー装置１００の基材であるとともに、半導体レーザー装置１００の内部で発生した熱を外部に伝達する役割を果たす。「基材」とは、支持体のことである。ここでは、基材はサブマウント２及び反射素子４を支持している。
【００１７】
ヒートシンク１の＋Ｚ軸方向にはサブマウント２が配置されている。また、サブマウント２の＋Ｚ軸方向には半導体レーザー素子３が配置されている。ヒートシンク１、サブマウント２及び半導体レーザー素子３は、積層して配置されている。
【００１８】
サブマウント２は、例えば、窒化アルミニウム又は炭化ケイ素などが用いられる。これらの材料は、線熱膨張係数が半導体レーザー素子３に近い。また、これらの材料は、熱伝達率が高い物質である。サブマウント２は、半導体レーザー素子３を構成するｎ型クラッド層３ｂと電気的に接続されている。サブマウント２は、ｎ型クラッド層３ｂに電流を送り込む役割を有する。また、サブマウント２は、半導体レーザー素子３で発生する熱を効率よくヒートシンク１に伝える役割を有する。
【００１９】
図２は、半導体レーザー素子３からレーザー光８が出射される様子を詳しく示した図である。サブマウント２がｎ型の場合には、半導体レーザー素子３は、ｎ型のクラッド層３ｂがサブマウント２と接するように配置されている。また、半導体レーザー素子３は、ｐ型のクラッド層３ａが活性層１０を介してｎ型のクラッド層３ｂの＋Ｚ方向に配置されている。つまり、活性層１０は、ｐ型クラッド層３ａとｎ型クラッド層３ｂとに挟まれている。レーザー光８は、活性層１０の出射端面９から出射される。半導体レーザー素子３は、レーザー光８の光束の中心軸（以下、光軸１１という。）がＸ軸と平行となるように配置されている。
【００２０】
半導体レーザー素子３から出射されるレーザー光８は、発散角に異方性がある。活性層１０に垂直な方向（Ｚ軸方向）に広がるレーザー光８ｖの発散角は、例えば、半値全角で３５°程度になる。また、活性層１０に平行な方向（Ｙ軸方向）に広がるレーザー光８ｈの発散角は、例えば半値全角で８°程度になる。活性層１０に垂直な方向（Ｚ軸方向）に広がるレーザー光８ｖの発散角は、活性層１０に平行な方向（Ｙ軸方向）に広がるレーザー光８ｈの発散角よりも大きい。活性層１０に垂直な方向を遅軸と呼び、活性層１０に平行な方向を速軸と呼ぶ。遅軸方向の発散角は、速軸方向の発散角よりも大きい。「半値全角」とは、レーザー光の強度が出射端から垂直方向を０度の強度として、その半分の強度となる角度幅である。角度幅なので、０度を中心として、負側の角度と正側の角度の合計となる。
【００２１】
ヒートシンク１の＋Ｚ軸側の面には、反射素子４が配置されている。反射素子４は、半導体レーザー素子３に対してレーザー光８の出射側（−Ｘ軸方向側）に配置されている。反射素子４は、レーザー光８を拡散反射する拡散反射面１２を有している。つまり、反射素子４の反射面は、拡散反射面１２である。反射素子４は、半導体レーザー素子３のレーザー光８の光軸１１を曲げる機能を有する。例えば、反射素子４の拡散反射面１２は、レーザー光８の光軸１１に対して４５度の角度で配置されている。実施の形態１では、光軸１１はＸ−Ｙ平面に平行であるため、拡散反射面１２は、Ｘ−Ｙ平面と４５度の角度をなすように配置されている。また、反射素子４は、例えば、セラミックで形成された素子である。反射素子４の表面には、微小な凹凸５が存在する。つまり、反射素子４の表面は金属のように滑らかではない。拡散反射面１２によって拡散反射されたレーザー光８は、キャップ６に設けられた出射窓７を通過して半導体レーザー装置１００の外部に放出される。
【００２２】
図３は、半導体レーザー装置１００を放熱性の高い基板１３の上にアレイ状に配置した例を示した図である。「アレイ状」とは、一次元配列した状態又は二次元配列した状態のことである。図３では、一例として、半導体レーザー装置１００を一次元配列している。反射素子４の拡散反射面１２がレーザー光８の光軸１１に対して４５度の角度で配置されている場合には、光軸１１は９０度曲げられる。半導体レーザー素子３から出射されたレーザー光８の光軸１１はＸ−Ｙ平面に平行であるため、拡散反射面１２で曲げられたレーザー光８の光軸１１はＺ軸に平行となる。図１では、拡散反射面１２で曲げられたレーザー光８は、＋Ｚ軸方向に進行している。ヒートシンク１を基板１３などに実装した場合には、ヒートシンク１と基板１３との接触面積を大きく取れる。このため、半導体レーザー装置１００の放熱性が向上する。また、出射窓７から出射されるレーザー光８の光軸１１が基板１３と垂直になるため、レーザー光８は基板１３と干渉しない。
【００２３】
拡散反射面１２は、出射端面９から近い距離であることが望ましい。なぜならば、活性層１０に垂直な方向（Ｚ軸方向）に広がるレーザー光８ｖの発散角は比較的に大きいため、拡散反射面１２が出射端面９から離れるに従い、レーザー光８はＺ軸方向に大きく広がってしまう。このため、反射素子４の拡散反射面１２を大きくする必要がある。反射素子４などの光学素子が大きくなると、半導体レーザー装置１００の全体の大きさも大きくなる。また、部品が大きくなるため、材料費、輸送費などのコストが高くなる。
【００２４】
反射素子４の拡散反射面１２には、微小な凹凸５が存在する。微小な凹凸５は反射面に入射する光を拡散反射させる役割を持つ。ここで、「微小」とは、例えば、数μｍから数十μｍ程度である。
【００２５】
反射素子４の反射面が滑らかな平面である場合には、反射された後のレーザー光８の発散角は、半導体レーザー素子３から出射された際の発散角と同じになる。つまり、Ｚ−Ｘ平面上で半値全角３５°で出射された場合には、屈折後のＺ−Ｘ平面上でのレーザー光８の半値全角は３５°である。また、Ｘ−Ｙ平面上で半値全角８°で出射された場合には、屈折後のＺ−Ｙ平面上でのレーザー光８の半値全角は８°である。
【００２６】
上述のように、照明用途などでは広い発散角が求められる。このため、一般的には、半導体レーザー装置の外部に拡散レンズ等を配置する。しかし、拡散レンズ等を半導体レーザー装置の外部に配置すると、部品点数が増えて、組立工数が増えて、コスト高となる。また、拡散レンズを配置する空間も必要になるため、半導体レーザー装置が大きくなる。
【００２７】
一方で、拡散反射面１２は、レーザー光８を＋Ｚ軸方向に屈折するとともに、レーザー光８を拡散させる機能を有する。つまり、拡散反射面１２で屈折されたレーザー光８の発散角は、半導体レーザー装置１００から出射された時のレーザー光８の発散角よりも大きくなる。
【００２８】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、反射素子４の反射面を鏡面にした場合と、拡散反射面にした場合とのレーザー光８の光強度分布を示したコンター図である。横軸は、Ｘ軸を示し、単位は［ｍｍ］で示している。縦軸は、Ｙ軸を示し、単位は［ｍｍ］で示している。「コンター図」とは、ある量の値が同じである点を結んだ線で示した図のことである。つまり、一定値ごとに等値線を描いた図である。図４（Ａ）は、反射素子４の反射面を鏡面にした場合を示している。図４（Ｂ）は、反射素子４の反射面を拡散反射面にした場合を示している。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の光強度分布は、出射窓７の位置での分布である。図４（Ｂ）の光強度分布は、図４（Ａ）の光強度分布よりも広がっていることが分かる。また、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、等高線の内側の方が、光強度が高くなっている。反射素子４の反射面を拡散反射面にする効果を確認することができる。
【００２９】
以上のように、実施の形態１の半導体レーザー装置１００では、半導体レーザー素子３のクラッド層１０をヒートシンク１と平行に配置して積層されている。このため、半導体レーザー素子３と外気との間の熱抵抗を小さくすることが可能であり、放熱性が向上する。
【００３０】
また、反射素子４を用いて、半導体レーザー素子３から出射されたレーザー光８を、出射直後に９０°屈折させている。このため、レーザー光８はヒートシンクと干渉することがない。
【００３１】
さらに、高い直進性及び可干渉性を有するレーザー光８を反射素子４の拡散反射面１２で拡散させている。このために、拡散光学系などの光学素子を用いる必要がない。
【００３２】
なお、以上のように本実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態１に限るものではない。例えば、反射素子４は、表面を粗くした金属などでも良い。また、半導体レーザー素子３はマルチエミッタでも良い。ヒートシンク１又はキャップ６は金属ではなくセラミックなどでも良い。
【００３３】
実施の形態２．
【００３４】
図５は、本発明に係る実施の形態２の半導体レーザー装置１０１を＋Ｙ軸方向から見た構成図である。図５中の上方向が＋Ｚ軸方向である。半導体レーザー装置１０１が実施の形態１の図１に示す半導体レーザー装置１００と異なる点は、反射素子４の反射面１５に微細光学素子１４が配置されている点である。
【００３５】
実施の形態１で説明した半導体レーザー装置１００と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。半導体レーザー装置１００と同一の構成要素は、ヒートシンク１、サブマウント２、半導体レーザー素子３及びキャップ６である。反射素子４１は、実施の形態１では拡散反射面１２が形成されているのに対して、実施の形態２では反射面１５に微細光学素子１４が配置されている。実施の形態２の反射素子４は、この相違点以外では、実施の形態１の反射素子４と同じである。
【００３６】
実施の形態１と同じ構成要素の構成、機能又は動作等は、実施の形態２で説明を省いた場合でも、実施の形態１の記載を代用する。また、実施の形態２の中で説明した、実施の形態１に関する記載は、実施の形態１の説明として用いる。ここで、「動作」とは、光の挙動を含む。
【００３７】
例えば、アルミナを主成分とするセラミックでは、可視光領域の反射率は９４％程度である。実施の形態１で示したセラミックで作成された反射素子４の場合には、６％の光エネルギーを反射素子４が吸収してしまう。レーザー光８はエネルギー密度が高いため、反射素子４の放熱性が悪い場合には、レーザー光８が照射される領域が局部的に高温になる。反射素子４が局部的に高温になる結果として、反射素子４に熱ひずみが発生することが考えられる。また、最悪の場合には、反射素子４の破壊の原因になる。このため、レーザー光８の高出力化に伴い、反射素子４の放熱性確保は重要になる。
【００３８】
そこで、反射素子４１をアルミニウムなど熱伝導率が高く、可視光領域の光の反射率の高い材料で形成する。その反射素子４１の反射面１５に、複数の微細光学素子１４を配置する。微細光学素子１４は、例えば、半球形状をしている。また、微細光学素子１４は、例えば、直径が１０μｍの大きさである。また、微細光学素子１４は、例えば、三角錐、四角錐、円錐、三角錐台、四角錘台又は円錘台などの形状をとることができる。微細光学素子１４により、反射素子４１の反射面１５上に、反射効率の高い拡散反射面を形成できる。つまり、反射素子４１は、反射面１５及び微細光学素子１４で拡散反射面を形成している。
【００３９】
図６は、表面の反射率が高い、直径が２０マイクロメータの半球形状の微細光学素子１４を、反射面１５に並べた場合のレーザー光８の光強度分布を示したコンター図である。横軸は、Ｘ軸を示し、単位は［ｍｍ］で示している。縦軸は、Ｙ軸を示し、単位は［ｍｍ］で示している。半球形状の微細光学素子１４は、１ｍｍ２に１万個配置している。図６の光強度分布は、出射窓７の位置での分布である。図６では、等高線の内側の方が、光強度が高くなっている。図６に示す光強度分布の広がりは、図４（Ｂ）に示す光強度分布の広がりと同等である。
【００４０】
以上のように、実施の形態２に係る半導体レーザー装置１０１では、熱伝導性の高い反射素子４１の反射面１５に微細光学素子１４を並べることで、反射素子４１の放熱性が高まり、反射素子４１の信頼性が向上する。また、セラミックの表面の無秩序な構造と異なり、微細光学素子１４の形状又は密度を制御することで、レーザー光８の発散角を制御することが可能になる。
【００４１】
なお、以上のように本実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態２に限るものではない。例えば、微細光学素子１４は半球形状ではなく異方性を有する構造体でも良い。また、球体のような微細光学素子を積層させても良い。「異方性を有する構造体」とは、例えば、半球形状の微細光学素子１４を、縦方向と横方向とで異なるピッチで二次元配列したものである。
【００４２】
上述のように、本発明の実施の形態について以上のように説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。
【００４３】
また、上述の各実施の形態においては、「平行」や「垂直」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
【符号の説明】
【００４４】
１００，１０１  半導体レーザー装置、  １  ヒートシンク、  ２  サブマウント、  ３  半導体レーザー素子、  ４，４１  反射素子、  ５  凹凸、  ６  キャップ、  ７  出射窓、  ８，８ｖ，８ｈ  レーザー光、  ３ａ  ｐ型のクラッド層、  ３ｂ  ｎ型のクラッド層、  ９  出射端面、  １０  活性層、  １１  光軸、  １２  拡散反射面、  １３  基板、  １４  微細光学素子、  １５  反射面。
【図１】
2015233053.tif 000003
【図２】
2015233053.tif 000004
【図３】
2015233053.tif 000005
【図４】
2015233053.tif 000006
【図５】
2015233053.tif 000007
【図６】
2015233053.tif 000008