(57)【要約】【課題】簡単な保持構造でレーザ結晶の冷却効率を向上させ、半導体レーザ装置での高出力化を図る。【解決手段】レーザ結晶８を低融点の充填材２６を介してホルダ１５に保持した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ結晶を低融点の充填材を介してホルダに保持したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
ヒートシンクを兼ねるホルダにＶ溝が形成され、結晶押え片にＶ溝が形成され、前記レーザ結晶は両Ｖ溝に嵌合されて前記ホルダと前記結晶押え片間に挾持された請求項１の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記レーザ結晶を保持する面に逃げ溝が刻設された請求項１の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記結晶押え片はバネ体を介して前記レーザ結晶に押圧された請求項２の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記充填材は、前記レーザ結晶及びホルダよりも硬度が低く柔らかい金属である請求項１の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記充填材は、前記ホルダが保持するレーザ結晶の面にメッキされている請求項１の半導体レーザ装置。
【請求項７】
レーザ結晶を低融点の充填材を介して保持し、該充填材が融点近傍の温度となる様に加熱すると共に前記レーザ結晶を前記充填材に押圧させ固定したことを特徴とする半導体レーザ装置のレーザ結晶保持方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置、特にレーザ結晶の保持構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザからのレーザビームを増幅して射出するものとしてレーザ結晶を用いたＬＤ励起固体レーザがある。
【０００３】
図４に於いて、ＬＤ励起固体レーザの概略を説明する。
【０００４】
図４中、１は単一のレーザダイオード、或は複数のレーザダイオード等の発光部、２は前記発光部１からのレーザ光線を集光させレーザ結晶３に入射させる光学系であり、前記レーザ結晶３の前記光学系２側の端面には誘電体反射膜４が形成されている。前記レーザ結晶３と対向して出力鏡５が配設され、該出力鏡５と前記誘電体反射膜４間で共振器が構成されている。
【０００５】
前記発光部１、前記光学系２、前記レーザ結晶３はヒートシンクを兼ねるホルダ６に固定されている。尚、レーザ結晶としては、例えばＮｄ：ＹＶＯ４  、Ｎｄ３＋  イオンをドープしたＹＡＧ（イットリウム  アルミニウム  ガーネット）が用いられる。
【０００６】
前記発光部１から発せられたレーザ光線は励起光として前記光学系２を経て前記レーザ結晶３に入射され、前記誘電体反射膜４と前記出力鏡５と間でポンピングされ、増幅され射出される。
【０００７】
図５に於いてレーザ結晶８の保持構造について説明する。
【０００８】
該レーザ結晶８がＮｄ：ＹＶＯ４  の場合、該レーザ結晶８は断面が正方形のロッド状に切出される。
【０００９】
前記ホルダ６に矩形形状の保持溝９が刻設され、該保持溝９に前記レーザ結晶８が嵌込まれ、前記保持溝９に掛渡り結晶押え片１１が前記ホルダ６に取付けられる。前記結晶押え片１１は前記保持溝９に嵌合可能な凸部１１ａを有し、該凸部１１ａが前記レーザ結晶８を前記保持溝９に押圧して前記光学系２の光軸上に固定する。前記ホルダ６には図示しないペルチェ素子等の冷却器が設けられている。
【００１０】
前記レーザ結晶８に励起光を入射させると、該レーザ結晶８が励起され、レーザ光線が発振される。励起した際に該レーザ結晶８に吸収された励起光のエネルギの一部がレーザ光線の発振に寄与せず熱として該レーザ結晶８内に蓄積され、結晶内部に温度分布差が生じる。
【００１１】
図６は、該レーザ結晶８内の温度分布差、熱の流れを模式的に示している。
【００１２】
又、図６中、該レーザ結晶８の右端面が励起光の入射端面である。光軸１２に重ねられて示された曲線１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆが温度分布曲線を示し、前記光軸１２に重ねられて示された矢印１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆが熱の流れを示している。
【００１３】
前記レーザ結晶８の入射端面で局所的な熱の蓄積があり、大きな温度分布が生じる。該レーザ結晶８内での熱伝導、該レーザ結晶８から前記ホルダ６への熱伝達により、前記レーザ結晶８の熱が移動し、射出端面（図６中、該レーザ結晶８の左端面）に移動するに従って、温度分布が小さくなっている。
【００１４】
尚、他のレーザ結晶保持構造としては、例えば特許文献１に示されるものがある。
【００１５】
【特許文献１】
米国特許第６３４７１０９号明細書
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ装置での高出力化が進むに従い、入射端面での温度が上昇し、温度分布差が更に増大する。温度分布差により熱歪みが大きくなり、結晶表面にクラックが発生する場合がある。
【００１７】
温度分布差を解消するには、前記レーザ結晶８と前記ホルダ６間の熱伝達率を向上させ、前記レーザ結晶８の熱を前記ホルダ６へ効率よく移動させる必要がある。
【００１８】
従来の前記レーザ結晶８の保持構造では、前記ホルダ６と前記結晶押え片１１でレーザ結晶８を挾持しているので、前記レーザ結晶８の下面は前記保持溝９の底面に、又前記レーザ結晶８の上面は前記凸部１１ａの下面に押圧されているが、前記レーザ結晶８は前記保持溝９に嵌込むので、前記レーザ結晶８の両側面は前記保持溝９の両溝壁とは密着しているとはいえない。
【００１９】
更に、図７に示される様に、前記レーザ結晶８は上下、左右の面、及び前記保持溝９の両溝壁が平行が出ているとは限らず、更に加工表面は加工時に生じる表面粗さが残っており、前記保持溝９の底面と前記レーザ結晶８の下面、前記結晶押え片１１の下面と前記レーザ結晶８の上面とが完全に密着しているとはいえない。この為、該レーザ結晶８と前記ホルダ６、前記結晶押え片１１間の熱伝達率が小さくなり、前記レーザ結晶８の冷却効率が低下する。
【００２０】
前記ホルダ６と前記レーザ結晶８と間の熱伝達率を向上させる為、該レーザ結晶８の表面に金を蒸着し、接触面での熱抵抗を低下させる方法もあるが、平行度が出ていない場合の密着度の低下、或は表面粗さに起因する密着度の低下を補うことはできない。この為、更に高出力化を図る為にはレーザ結晶８の保持構造自体を変更する必要があった。
【００２１】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な保持構造でレーザ結晶の冷却効率を向上させ、半導体レーザ装置での高出力化を図るものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ結晶を低融点の充填材を介してホルダに保持した半導体レーザ装置に係り、又ヒートシンクを兼ねるホルダにＶ溝が形成され、結晶押え片にＶ溝が形成され、前記レーザ結晶は両Ｖ溝に嵌合されて前記ホルダと前記結晶押え片間に挾持された半導体レーザ装置に係り、又前記レーザ結晶を保持する面に逃げ溝が刻設された半導体レーザ装置に係り、又前記結晶押え片はバネ体を介して前記レーザ結晶に押圧された半導体レーザ装置に係り、又前記充填材は、前記レーザ結晶及びホルダよりも硬度が低く柔らかい金属である半導体レーザ装置に係り、更に又前記充填材は、前記ホルダが保持するレーザ結晶の面にメッキされている半導体レーザ装置に係るものである。
【００２３】
又、レーザ結晶を低融点の充填材を介して保持し、該充填材が融点近傍の温度となる様に加熱すると共に前記レーザ結晶を前記充填材に押圧させ固定した半導体レーザ装置のレーザ結晶保持方法に係るものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１〜図３は半導体レーザ装置に於けるレーザ結晶保持部を示している。
【００２６】
図１に於いて、ホルダ１５に傾斜角４５°の傾斜面１６を形成し、該傾斜面１６に頂角９０°のＶ溝１７を形成する。該Ｖ溝１７の頂部には逃げ溝１８を刻設する。
【００２７】
前記Ｖ溝１７を掛渡り前記傾斜面１６に結晶押え片１９が螺子２１により取付けられる。前記結晶押え片１９には頂角９０°のＶ溝２２が形成され、該Ｖ溝２２の頂部には逃げ溝２３が刻設されている。前記Ｖ溝２２の両側には頂角９０°の土手部２４が形成され、該土手部２４は前記Ｖ溝１７に嵌合可能となっている。
【００２８】
レーザ結晶８は前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２に嵌合し、前記ホルダ１５と前記結晶押え片１９により挾持され、該結晶押え片１９は前記螺子２１により、前記ホルダ１５に固定される。前記結晶押え片１９と前記螺子２１との間にはバネ座金或は皿バネ等のバネ体２５が介設され、該バネ体２５は前記レーザ結晶８と前記Ｖ溝１７間、前記レーザ結晶８と前記Ｖ溝２２間に所定の押圧力を発生させている。前記レーザ結晶８の両端面の４辺それぞれは面取２７が加工されている。
【００２９】
前記結晶押え片１９により前記レーザ結晶８を固定することで、該レーザ結晶８には断面の対角線方向に押圧力が作用するので、該レーザ結晶８の４面は均等に前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２に押圧される。
【００３０】
図２、図３により更に詳述する。尚、図２、図３は前記レーザ結晶８の保持部を抽出して示している。
【００３１】
該レーザ結晶８と前記Ｖ溝１７間及び前記レーザ結晶８と前記Ｖ溝２２間に前記レーザ結晶８及び前記ホルダ１５よりも硬度が低く柔らかい充填材２６が挾設される。該充填材２６は柔らかく熱伝導性が優れた、低融点を持つ材質である。例えば、インジウム（Ｉｎ：融点１５６℃）が用いられる。又、低融点材料としては、Ｉｎ−Ｓｎ合金：融点１１７℃、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金：融点９３℃等が挙げられる。尚、低融点材料の融点は、前記レーザ結晶８に形成される光学膜が損傷する温度以下の温度である。
【００３２】
前記充填材２６の厚みは、前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２の加工面の表面粗さ以上、或は前記レーザ結晶８、前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２間の平行度の誤差以上とする。例えば、１０μｍ程度とする。尚、前記充填材２６の厚みは、前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２の加工精度等が考慮されて決定される。又、それほどの厚みを必要としない場合には前記充填材２６を前記レーザ結晶８の挾持される４面に直接メッキしてもよい。
【００３３】
前記レーザ結晶８を固定する場合の作業について説明する。
【００３４】
前記結晶押え片１９、前記ホルダ１５と前記レーザ結晶８との間に前記充填材２６を介在させた状態で、前記レーザ結晶８を仮止し、前記ホルダ１５、前記結晶押え片１９、前記レーザ結晶８を加熱し、前記充填材２６の融点近傍の温度、又は、やや高い温度にする。
【００３５】
次に、前記レーザ結晶８への押圧力が所定値となる様に前記螺子２１を締める。該螺子２１が締められることで、前記充填材２６が押しつぶされ、該充填材２６は隙間のある方に流動し、前記レーザ結晶８と前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２間の微小な隙間を充填する。
【００３６】
この時、余剰の前記充填材２６は前記逃げ溝１８、前記逃げ溝２３にはみ出す。又、前記レーザ結晶８の端面には面取加工がされているので、前記充填材２６が端面側に食出しても、前記レーザ結晶８の入射端面、射出端面に回込まず該レーザ結晶８の両端面を汚すことがない。
【００３７】
前記充填材２６が前記レーザ結晶８と前記Ｖ溝１７、前記Ｖ溝２２間の微小な隙間を充填するので、前記レーザ結晶８と前記ホルダ１５、前記結晶押え片１９間の接触面積が増大し、前記レーザ結晶８と前記ホルダ１５、前記結晶押え片１９間の熱伝達率が向上する。
【００３８】
而して、前記レーザ結晶８の冷却効果が向上し、該レーザ結晶８の温度上昇が抑制されると共に該レーザ結晶８内での温度分布の差が減少し、より高出力の励起光を入射させることができ、半導体レーザ装置の高出力化が図れる。
【００３９】
又、前記レーザ結晶８の温度変化が前記ホルダ１５に迅速に反映されるので、該ホルダ１５を介して検出する前記レーザ結晶８の温度が正確になり、該レーザ結晶８の温度制御が容易になり、又温度制御の精度が向上する。
【００４０】
尚、レーザ結晶８を固定する作業で、予め所定の押圧力が発生する様に螺子２１を締めておき、その後ホルダ１５、レーザ結晶８、結晶押え片１９を加熱してもよい。
【００４１】
又、休止時に対して稼働時では、レーザ結晶８の温度が上昇し、該レーザ結晶８の熱膨張があるが、前記結晶押え片１９は前記バネ体２５を介して締付けられているので、前記レーザ結晶８の熱膨張は前記バネ体２５の変位により吸収される。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、レーザ結晶を低融点の充填材を介してホルダに保持したので、レーザ結晶の固定時に加熱することで、充填材が微小な隙間を充填し、レーザ結晶とホルダ間の熱伝達率が向上し、レーザ結晶の冷却効果が向上し、半導体レーザ装置の高出力化が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の要部を示す斜視図である。
【図２】同前本発明の実施の形態の要部を示す正面図である。
【図３】同前本発明の実施の形態の要部を示す側面図である。
【図４】従来例を示す側断面図である。
【図５】従来例のレーザ結晶保持部の斜視図である。
【図６】従来例のレーザ結晶保持部での熱分布、熱移動を示す模式図である。
【図７】従来例のレーザ結晶と保持部との接触面の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
８          レーザ結晶
１５        ホルダ
１７        Ｖ溝
１８        逃げ溝
１９        結晶押え片
２１        螺子
２２        Ｖ溝
２３        逃げ溝
２５        バネ体
２６        充填材
２７        面取
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004253733.tif 000007
【図６】
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【図７】
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