(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける冷却装置アセンブリであって、
前記ＳＤＬにオプティカルコンタクトによって接合された結晶性のヒートスプレッダと、
第１の面に配置された凹部を有するヒートシンクと、
機械的に柔軟な充填材で充填された凹部であって、その内部に前記ＳＤＬが埋め込まれている凹部と、
前記凹部内にＳＤＬを密封するために、前記ヒートシンクに固定されたシーリングプレートと、
を備えることを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記ヒートシンクが銅から成ることを特徴する冷却装置アセンブリ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記結晶性のヒートスプレッダが、ダイヤモンド、サファイヤまたはシリコンカーバイド材料から成ることを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記ヒートシンクが冷却手段をさらに備えることを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記結晶性のヒートスプレッダの直径が前記ＳＤＬの直径よりも大きいことを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記機械的に柔軟な充填材がインジウムまたはインジウム基合金を含むことを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記ヒートシンクが、前記凹部の外周の周りに位置する１またはそれ以上のねじ穴を備えること特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記シーリングプレートが中央開口部を備えることを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記第１の面の位置における前記中央開口部の直径が、前記結晶性のヒートスプレッダの直径よりも小さいことを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記中央開口部に、テーパが付されていること特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項１１】
請求項８乃至１０の何れか１項に記載の冷却装置アセンブリにおいて、前記シーリングプレートが、前記中央開口部の外周の周りに位置する１またはそれ以上の開口部をさらに備えることを特徴とする冷却装置アセンブリ。
【請求項１２】
半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける方法であって、
結晶性のヒートスプレッダを前記ＳＤＬにオプティカルコンタクトにより接合させるステップと、
第１の面に配置された凹部を有するヒートシンクを提供するステップと、
機械的に柔軟な充填材で前記凹部を充填するステップと、
前記機械的に柔軟な充填材内に前記ＳＤＬを埋め込むステップと、
前記ヒートシンクにシーリングプレートを固定することによって、前記凹部に、前記結晶性のヒートスプレッダおよび前記ＳＤＬをさらに押し込んで、前記凹部内に前記ＳＤＬを密封するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける方法において、前記結晶性のヒートスプレッダが、ダイヤモンド、サファイヤまたはシリコンカーバイド材料から成ることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の半導体ディスクレーザを取り付ける方法において、前記機械的に柔軟な充填材が、インジウムまたはインジウム基合金を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の方法において、前記シーリングプレートが、前記ヒートシンクの第１の面と係合する１またはそれ以上のねじによって、前記ヒートシンクに固定されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザの分野に関し、具体的には半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＤＬは垂直外部共振型発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）または光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬ）としても従来より知られていることに留意されたい。従って、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）という用語は、本説明中で使用される場合、これらの各システムを指すものとして用いられる。
【０００３】
半導体発光装置の熱感度は従来より良く知られており、また、温度の低下によってキャリア漏れが減少するため、装置が低温にて高効率で作動する傾向があることも良く知られている。しかしながら、ＳＤＬの構造では、熱的影響がより複雑である。光励起は、励起光子とレーザ光子との間に量子欠損を導入して、無放射効果の熱効果と同時に、利得構造体に過度の熱をもたらし、その熱は、励起／ＳＤＬ出力の増加とともに増大する。
【０００４】
ＳＤＬのほとんどの用途では、室温での操作が望ましく、実際に、室温付近で構造体の温度感度が低いほど良くなる。従って、ＳＤＬ構造体を熱制御をするために、ＳＤＬシステムに多大な技術力と努力が費やされている。
【０００５】
ＳＤＬ構造体を熱制御する初期の技術は、図１に概略的に示されるように、ペルチェ制御された冷却ブロックにＳＤＬを熱的に取り付けることを含んでいた。この配置構成では、ＳＤＬ１は、例えば伝導性のシルバーペイントのような適当な接着層３によって、銅マウント２上に固着される。その後、銅マウント２は、伝導性の放熱ペースト５の層によって、銅のブロック４に取り付けられる。その後、銅のブロック４の温度は、水冷式の銅ヒートシンク７に取り付けられたペルチェ素子６によって制御される。
【０００６】
図１で示されたＳＤＬ１が励起されるとき、発生した熱はＳＤＬ１内の熱源から直接移動しなければならない。放熱可能なルートは、まずＳＤＬ１の前面を通過して空気中に向かうか、あるいは後方にＳＤＬ１を通って銅ブロック４に向かい、最終的に水冷式の銅ヒートシンク７上に到達するルートである。空気の熱伝導率（κ＝０．０２６Ｗｍ１Ｋ−１）は極めて低いので、このルートを通って放出される熱量はごく少量となる。その代わりに、大部分の熱は、ＳＤＬ１自体を通って消散するが、このＳＤＬは、多数構造と、幾つかの低熱伝導層、例えばＡｌＧａＡｓ（κ＝２２．５Ｗｍ１Ｋ−１）およびＧａＡｓ（κ＝５５Ｗｍ１Ｋ−１）を含む層の包含とに起因して、比較的高い熱インピーダンスを有する。それ故に、このような熱制御の配置構成では、高出力のレーザ発振を達成することができないことが判明している。
【０００７】
ＳＤＬ１構造体を熱制御する代替技術は、結晶性のヒートスプレッダをベースとするものであり、その一例が図２に概略的に示されている。具体的に、冷却装置は、ヒートスプレッダ８と、標準的な熱電冷却器または水冷器９とを備えることが分かる。従来より一般に使用されるヒートスプレッダ８は、サファイヤ（κ＝４４Ｗｍ１Ｋ−１）、シリコンカーバイド（κ＝４９０Ｗｍ１Ｋ−１）、ダイヤモンド（κ＝２０００Ｗｍ１Ｋ−１）を含む様々な材料から成る。ヒートスプレッダ８は、その上に高性能の反射防止膜が堆積された外側のくさび面１０を備えることができる。
【０００８】
これらの配置構成では、ヒートスプレッダ８は、ＳＤＬ１とのオプティカルコンタクトによって接合されており、これは、「ファンデルワールス結合」と呼ばれることもある。直接的なまたはファンデルワールス結合による接合技術は、接着剤を使用する必要がなくヒートスプレッダ８をＳＤＬ１に接合できる方法として半導体レーザ分野で一般に採用されており、そのため、そのような接着層に関連する付随的な問題点、例えば、高温でのクラッキングをもたらす可能性のある熱膨張係数の不一致、接着層におけるエタロン効果、光学的損失および吸収に繋がる接着剤中の不純物、接着剤からＳＤＬ１およびヒートスプレッダ構造体に入る外来原子の拡散、接着層自体の構造的な脆弱性、その層および追加的インターフェースにより導入される熱インピーダンスなどを防ぐことができる。要約すると、この技術は、接合される面の研磨および洗浄を伴う。その後、例えば、水、メタノールまたはアセトンのような接合液が、接合される面の一方に塗布される。その後、第２の面は、第１の面に接触され、それらの間に接合液が挟み込まれる。その後、第２の面は、接合が形成されると感じられるまで、第１の面上を緩やかに移動され、試料が、第１の面に「張り付く」ものとなる。
【０００９】
その後、ＳＤＬ１およびヒートスプレッダ８のアセンブリは、一般的に、標準的な熱電冷却器または水冷器９の上のインジウム箔層１１の上面に固定される。
【００１０】
説明した図２に示される配置構成は、ヒートスプレッダ８によって、励起フィールド（pump field）によりＳＤＬ内で生じた熱が、ＳＤＬ１内へとほんの限られた距離に伝播した後に、冷却装置９へと速やかに拡散することを可能にする。その結果、前述した図１の熱制御構造と比較した場合に、ＳＤＬ１全体の効率が著しく高まる。しかしながら、ヒートスプレッダ８とＳＤＬ１との間のオプティカルコンタクトを組み入れた熱制御技術は、蒸発が接合液に与える影響と、接合される層間および利得媒体への異物混入とに起因して、経時的に劣化することが明らかになっている。これらの影響は、ＳＤＬ１の性能に直接的に影響を及ぼし、従ってＳＤＬ１をベースとする装置の寿命を著しく短縮することが明らかとなっている。
【００１１】
従って、本発明の一実施形態の目的は、従来知られている半導体ディスクレーザを取り付ける方法および装置の上述した問題点を未然に防ぐか、または少なくとも軽減することである。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の第１の様態によれば、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける冷却装置アセンブリが提供され、この冷却装置アセンブリは、ＳＤＬとオプティカルコンタクトによって接合した結晶性のヒートスプレッダと、第１の面を有するヒートシンクであって第１の面に凹部が位置するヒートシンクと、凹部内に位置する柔軟な充填材と、凹部内にＳＤＬを密封するためにヒートシンクに固定されたシーリングプレートと、を備える。
【００１３】
凹部内にＳＤＬを密封することは、ＳＤＬを備える装置の寿命を著しく延ばすよう作用する。この長い寿命には幾つかの理由が存在する。まず第一に、ヒートスプレッダとＳＤＬとのオプティカルコンタクトに及す蒸発の影響が著しく減少する。第二に、密封することで、ＳＤＬの利得媒体に異物が混入するのを低減させるようにも作用する。柔軟な充填材の存在は、ヒートシンクとの良好な熱的接触を与える一方で、ＳＤＬに対する機械的支持を与える。
【００１４】
好適には、ヒートシンクは銅から成る。
【００１５】
ヒートスプレッダはダイヤモンド、サファイヤまたはシリコンカーバイド材料から構成されてもよい。
【００１６】
最も好適には、ヒートシンクは、例えば、一体型のフローリターンパイプか、ヒートシンクの１またはそれ以上の面に取り付けられた１またはそれ以上のペルチェ素子のような冷却手段をさらに備える。
【００１７】
好適には、結晶性のヒートスプレッダの直径は、ＳＤＬの直径よりも大きい。この配置構成は、冷却装置アセンブリにより与えられる熱制御能力を高めるように作用する。
【００１８】
最も好適には、柔軟な充填材は、インジウムまたはインジウム基合金を含む。
【００１９】
ヒートシンクは、凹部の外周の周りに位置する１またはそれ以上のねじ穴を含んでもよい。
【００２０】
最も好適には、シーリングプレートは中央開口部を備える。
【００２１】
第１の面に位置における中央開口部の直径は、結晶性のヒートスプレッダの直径よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
好適には、中央開口部はテーパ状である。
【００２３】
シーリングプレートは、中央開口部の外周の周りに位置する１またはそれ以上の開口部をさらに備えてもよい。
【００２４】
本発明の第２の様態によれば、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける方法が提供され、この方法は、
ヒートスプレッダをＳＤＬにオプティカルコンタクトにより接合するステップと、
第１の面を有するヒートシンクを提供するステップであって、第１の面に凹部が位置する、ステップと、
凹部内に柔軟な充填材を配置するステップと、
凹部内にＳＤＬを配置するステップと、
ヒートシンクにシーリングプレートを固定して、凹部内にＳＤＬを密封するステップと、を備える。
【００２５】
ヒートスプレッダはダイヤモンド、サファイヤまたはシリコンカーバイド材料から構成されてもよい。
【００２６】
好適には、柔軟な充填材は、インジウムまたはインジウム基合金を含む。
【００２７】
シーリングプレートは、ヒートシンクの第１の面と係合する１またはそれ以上のねじによってヒートシンクに固定されることができる。
【００２８】
本発明の第２の様態の実施例は、本発明の第１の様態の好ましい特徴、または任意選択の特徴を実施するための特徴を含むことができ、また、逆の場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
ここで、ほんの一例として、本発明の様々な実施形態を、以下の図面を参照しながら説明することとする。
【図１】図１は、従来より知られているような、ペルチェ制御された冷却ブロックに取り付けられた半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の概略図を示している。
【図２】図２は、従来より知られているような、結晶性のヒートスプレッダを含む半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の概略図を示している。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従って、ＳＤＬとともに使用される冷却装置の概略図を示している。
【図４】図４は、図３の冷却装置内にＳＤＬを取り付ける方法の概略図を示している。
【００３０】
次の説明では、明細書および図面を通して部品等が同じ符号で表記されている。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、ある部分の大きさは、図の詳細および本発明の実施例の特徴がより強調されている。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）１を取り付ける方法および装置の詳細を、図３および４を参照して説明することとする。具体的に、図３は、全体が参照符号１２で示されるような、ＳＤＬ１を取り付ける冷却装置アセンブリの概略図を示している。図４は、冷却装置アセンブリ１２内にＳＤＬ１を取り付ける対応方法の概略図を示している。
【００３２】
冷却アセンブリ１２は、ヒートシンク１３を備えることが分かる。ヒートシンク１３は、その材料により示される相対的に高い熱伝導性（κ＝４０１Ｗｍ１Ｋ−１）を考慮すると、銅から形成されることが望ましいが、その他の代替的な材料が用いられるものであってもよい。この実施形態では、ヒートシンク１３は、一体化されたフローリターンパイプ１４を備え、このパイプは、冷却液（例えば、水）をヒートシンク１３内に流すための手段を提供する。例えば、ヒートシンク１３の１またはそれ以上の面に１またはそれ以上のペルチェ素子を取り付けて、その後に、それら１またはそれ以上の素子を個別に冷却することにより、その他の形式のヒートシンク１３の冷却を用いることができることが理解されよう。
【００３３】
ヒートシンク１３の第１の表面１５には、凹部１６が位置している。凹部１６は、結晶性のヒートスプレッダ８とオプティカルコンタクトによって接合されたＳＤＬ１を受け取ることができるようにサイズ設定されている。通常は、凹部１６は約１０ｍｍの直径を有している。
【００３４】
冷却装置アセンブリ１２によって提供される熱制御を改善するために、結晶性のヒートスプレッダ８の直径がＳＤＬ１の直径よりも大きいことが好ましい。
【００３５】
ＳＤＬ１または結晶性のヒートスプレッダ８により占められていない凹部１６の空間は、充填材１７によって占められる。充填材１７は、ヒートスプレッダ８からヒートシンク１３に効率的に熱が流れるようにするために、良好な熱伝導率（κ）を示すことが必要とされる。以下でさらに詳細に説明される理由から、充填材１７は標準的な室温（一般的に２０℃）で、機械的な柔軟性または可鍛性を有することも必要とされる。これら２つの基準を満たすために、充填材はκ＝８２Ｗｍ１Ｋ−１の熱伝導率を提示するインジウムを含むことが好ましい。しかしながら、例えば、例えばインジウム基合金など、充填材１７として機能するインジウムの代替材料が用いることができることも理解されよう。
【００３６】
４個のねじ穴１８は、凹部１６の外周の周りに位置している。ねじ穴１８は、以下にさらに詳細に示されるように、第１の面にシーリングプレート１９を固定する手段を提供するのに使用される。
【００３７】
シーリングプレート１９は、中央開口部２０を含むことが分かる。この中央開口部の外周の周りには４つの開口部２１が位置しており、それらの開口部２１は、シーリングプレート１９が第１の面１５に配置されて当該第１の面に４本のねじ２２で固定されるときに、ヒートシンク１３のねじ穴１８と整列するように配置されている。第１の面の位置における中央開口部２０の直径は、結晶性のヒートスプレッダ８の直径よりも小さくなるように構成されている。これは、好適には、ヒートシンク１３に向かってテーパ状となる中央開口部２０を用いることで達成される。中央開口部２０は、励起フィールドが結晶性のヒートスプレッダ８を介してＳＤＬ１へのアクセスを得るための手段を提供するとともに、生成された出力フィールド(output field)が冷却装置アセンブリ１２から出て行くための手段を提供する。シーリングプレート１９の好適な材料はＩｎｖａｒ（登録商標）である。ＦｅＮｉ３６としても一般的に知られているＩｎｖａｒ（登録商標）は、その非常に低い熱膨張率で従来より有名なニッケルと鉄の合金である。
【００３８】
有利なことに、シーリングプレート１９は、４本のねじ２２で第１の面１５に固定されたときに、凹部１６内にＳＤＬを密封する機能を果たす。このとき、充填材１７は、ＳＤＬ１に機械的支持を与えると同時に、ヒートシンク１３との良好な熱的接触をも与える。
【００３９】
ＳＤＬを取り付ける方法
ここで、図４を参照しながらＳＤＬ１を取り付ける方法を説明する。
【００４０】
まず第一に、図４（ａ）で示されるように、ヒートスプレッダ８がオプティカルコンタクトによる手段でＳＤＬ１と接合される。
【００４１】
次に、図４（ｂ）で概略的に示されるように、柔軟な充填材１７がヒートシンク１３の凹部１６内に配置される。
【００４２】
最後から２番目のステップは、図４（ｃ）に示されており、このステップでは、ヒートスプレッダ８およびＳＤＬ１のアセンブリが凹部１６内に配置される。この段階では、ＳＤＬ１が充填材１７内に埋め込まれる一方で、通常、ヒートスプレッダ８の一部が凹部１６から突出した状態を保つ。
【００４３】
最後に、シーリングプレート１９が、ヒートシンク１３の第１の面１５上に置かれて、４本のねじ２２を４つの開口部２１を介して対応するねじ穴１８に通すことによって、ヒートシンク１３の第１の面１５に固定される。充填材１７の柔軟性または可鍛性のある性質によって、ＳＤＬ１にいかなるダメージを与えることなく、ヒートスプレッダ８のこれまで露出していた面を第１の面１５と同一平面上に位置するまでヒートスプレッダ８とＳＤＬ１のアセンブリを凹部１６内に押し下げることが可能となる。結果として得られる効果は、ＳＤＬ１が凹部１６内に密封されることである。また、柔軟な充填材１７は、ＳＤＬ１に機械的支持を与え、ヒートシンク１３へ良好な熱的接触をも与える。
【００４４】
ＳＤＬ１を取り付ける上述した方法および装置は、従来知られていたものと比べて数多くの利点を提供する。まず第一に、機密シールの存在の直接的な効果によって、ヒートスプレッダ８とＳＤＬ１との間のオプティカルコンタクトに対して蒸発が与える影響が著しく減少する。また、凹部１６内にＳＤＬ１を密封することは、ＳＤＬ１の利得媒体への異物の混入を著しく減少させる。上述した冷却装置アセンブリ１２の複合的な効果は、本装置および方法を組み込んだＳＤＬ１をベースとしたあらゆる装置の動作寿命を延ばすことである。
【００４５】
本発明は半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける方法および装置を示している。具体的には、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を取り付ける冷却装置アセンブリであって、ＳＤＬにオプティカルコンタクトにより接合された結晶性のヒートスプレッダを有する冷却装置アセンブリが記載されている。さらに装置は、ヒートシンクと、ヒートシンクの第１の面に位置する凹部とを備えている。シーリングプレートはヒートシンクに固定されたときにＳＤＬが凹部内に密封されるように、充填材が凹部内に与えられる。ＳＤＬを凹部内に密封することは、ＳＤＬを備える装置の寿命を著しく延ばすことが分かっている。
【００４６】
明細書全体に亘り、文脈が要求しない限り、用語「comprise」または「include」、または、「comprises」または「comprising」、「includes」または「including」などのバリエーションは、述べられた整数または、整数のグループを含むが、その他の何れの整数または整数のグループの排除を意味するものではないと理解されるべきである。
【００４７】
さらに、詳細な説明における先行技術に対する言及は、先行技術が通常の一般知識の一部を構成していることの示唆として受け取られるべきではない。
【００４８】
本発明の前述の説明は、例示および説明の目的のために示されたものであり、網羅的であること、または開示した通りの形態に本発明を限定することを意図したものではない。記載した実施形態は、本発明の原理をおよびその実際の適用を最良に説明するために選択および説明され、それによって他の当業者が、様々な実施形態において、また、考えられる特定の使用に適した様々な変更とともに、本発明を最良に利用することを可能にするものである。従って、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる改変または改良が包含され得る。
【図１】
0006585036.tif 000002
【図２】
0006585036.tif 000003
【図３】
0006585036.tif 000004
【図４（ａ）】
0006585036.tif 000005
【図４（ｂ）】
0006585036.tif 000006
【図４（ｃ）】
0006585036.tif 000007
【図４（ｄ）】
0006585036.tif 000008