(57)【要約】【課題】発熱密度の高い半導体レーザ素子を強制的に冷却するための冷却装置、かかる冷却装置を備えた半導体レーザ光源装置と半導体レーザ光源ユニット、および半導体レーザ光源ユニットの製造方法、ならびに固体レーザ装置を得る。【解決手段】被冷却体を所定の端部に沿って接合させた金属からなる第１の板状部材と、冷却液を導入する入口開口部および前記入口開口部に接続され前記端部に対応する領域の一端に達するよう設けられた冷却液導入溝と冷却液を排出する出口開口部および前記出口開口部に接続され前記端部に対応する領域の他端に達するよう設けられた冷却液排出溝がそれぞれ形成された金属からなる第２の板状部材と、前記端部に対応する領域に沿って形成され、かつ前記冷却液導入溝および前記冷却液排出溝に連通して前記被冷却体の長手方向に冷却液を流す少なくとも１以上の冷却用溝が設けられた金属からなる第３の板状部材とを備える。【選択図】  図１
2007134746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却体を所定の端部に沿って接合させた金属からなる第１の板状部材と、
冷却液を導入する入口開口部および前記入口開口部に接続され前記端部に対応する領域の一端に達するよう設けられた冷却液導入溝と冷却液を排出する出口開口部および前記出口開口部に接続され前記端部に対応する領域の他端に達するよう設けられた冷却液排出溝がそれぞれ形成された金属からなる第２の板状部材と、
前記端部に対応する領域に沿って形成され、かつ前記冷却液導入溝および前記冷却液排出溝に連通して前記被冷却体の長手方向に冷却液を流す少なくとも１以上の冷却用溝が設けられた金属からなる第３の板状部材と、
を備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記第２の板状部材と前記第３の板状部材を交互に複数回積層させたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第２の板状部材が、前記被冷却体の長手方向に対して垂直方向に設けられた複数の冷却用溝を有することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記第２の板状部材の複数の冷却用溝の長さと前記第３の板状部材の複数の冷却用溝全体の幅が略等しいことを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記第２の板状部材と前記第３の板状部材を交互に複数回積層させたことを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項６】
被冷却体を所定の端部に沿って接合させた金属からなる第１の板状部材と、
冷却液を導入する入口開口部および前記入口開口部に接続され前記端部に対応する領域の一端に達するよう設けられた冷却液導入溝と冷却液を排出する出口開口部および前記出口開口部に接続され前記端部に対応する領域の他端に達するよう設けられた冷却液排出溝と、前記被冷却体の長手方向に対応する領域の前記一端から前記他端を連通する冷却用溝と、前記冷却用溝中に一端に空隙を有する分岐用の仕切りを交互に設け、前記冷却用溝に冷却液を流すことにより被冷却体を冷却する金属からなる第２の板状部材と、
前記第２の板状部材と積層した場合に前記第２の板状部材の仕切りに対して前記空隙の位置が交互でかつ互いに重複するよう配置された仕切りを具備する冷却用溝が設けられた第３の板状部材と、
を備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
前記第２の板状部材と前記第３の板状部材を交互に複数回積層させたことを特徴とする請求項６記載の冷却装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項記載の冷却装置と、
被冷却体である半導体レーザと、
を備えた半導体レーザ光源装置。
【請求項９】
前記半導体レーザと前記第１の板状部材の間に銅（Cu）と高融点金属からなる合金で構成されているサブマウントが載置されていることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項１０】
前記冷却装置の下部に接着され、第１の給電端子を具備する第１の給電用板状部材と、
前記冷却装置の上部に絶縁体を介して固着され、一端に前記半導体レーザの上部と電気的に接続された金属からなる薄板を具備し、他端に第２の給電端子が設けられた第２の給電用板状部材と、
を備えたことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ光源装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体レーザ光源装置と、
前記冷却装置にシール部材を介して締結部材によって装着され、前記冷却装置に冷却液を供給する冷却液マニホルドと、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ光源ユニット。
【請求項１２】
前記冷却装置が複数台で構成されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ光源ユニット。
【請求項１３】
前記複数台の冷却装置の前記複数の第１の給電端子を電気的に接続すべく架橋された第１の給電板と、
前記複数の第２の給電端子を電気的に接続すべく架橋された第２の給電板と、
を備えたことを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ光源ユニット。
【請求項１４】
前記複数台の冷却装置に対して別個独立に冷却液が流れることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ光源ユニット。
【請求項１５】
前記複数台の冷却装置中の個々の冷却装置に順次冷却液が流れることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ光源ユニット。
【請求項１６】
板状部材の各々に所定の溝を化学エッチングにより形成する工程、
複数の板状部材からなる積層体を互いに接着する工程、
前記板状部材の積層体状に被冷却体を接合する工程、
接合ピンを介して前記板状部材の積層体と冷却マニホルドを固着する工程、
を備えたことを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１〜１４のいずれか１項記載の半導体レーザ光源ユニットを装着した固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に冷却装置に関するものであり、特に発熱密度の高い半導体レーザ素子を強制的に冷却するための冷却装置、かかる冷却装置を備えた半導体レーザ光源装置と半導体レーザ光源ユニット、および半導体レーザ光源ユニットの製造方法、ならびに固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ光源の主な用途として、大出力固体レーザの励起用光源が挙げられる。固体レーザの励起には、従来はキセノンランプ等の光源が利用されていたが、一般に出力波長はブロードなスペクトルを呈し、レーザ励起効率は低かった。
【０００３】
キセノンランプ等の光源に代り、鋭い波長スペクトルを有する半導体レーザによって励起すると、固体レーザを高効率でレーザ発振させることが可能となる。大出力固体レーザの励起用光源として使用する半導体レーザ素子は、数十ワットレベルのレーザビームを出射する必要があるが、半導体レーザ素子の出力効率は現状で50％程度であり、このため、レーザ光出力とほぼ同等の発熱が生じる。したがって、安定なレーザ光出力を得るためには、半導体レーザ素子を効率良く冷却する冷却装置が不可欠である。
【０００４】
図２３は、米国特許第５１０５４２９号特許明細書に記載された従来の半導体レーザ素子を冷却する冷却装置の構成を示す。この冷却装置は、冷却液の流路が形成された下側および上側の薄板１および３を、ガラス等の絶縁体より構成される中間薄板２の上下に積層した構成となっている。
【０００５】
薄板１には、冷却液の入口開口部１Aおよび出口開口部１Bが、さらに上側の薄板３には、冷却液の入口開口部３Aおよび出口開口部３Bが設けられている。薄板１の上面には一端が冷却液入口１Aに連通し、他端が前端面１ａに向かって枝分かれして冷却液の流路となる流路１Ｃが形成され、さらに中間薄板２には、薄板１の冷却液入口１Ａおよび冷却液出口１Ｂに対応して、冷却液の流路２Ａ、２Ｂが形成されている。
【０００６】
上側薄板３の下面には、前端面３aに沿って、出口開口部３Bに連通して、流路１Cのピッチをさらに小さくしたマイクロチャネル（図示せず）が形成される。上側薄板３には、その上面に、前端面３ａに沿うように半導体レーザアレイ４が接合されている。上述の図示されていないマイクロチャネルは上側薄板３の下面で、半導体レーザアレイ４の直下に形成されている。ここで半導体レーザアレイとは、個々の発光スポットを有する半導体レーザが横一列に連なりアレイ状になったものを言う。
【０００７】
下側薄板１、中間薄板２および上側薄板３は積層された状態で、それぞれに形成された中央開口部１Ｄ〜３Ｄに挿通されたボルト・ナットにより固定される。半導体レーザアレイ４は直流電源等の駆動装置５により動作する。
【０００８】
従来の冷却装置では、単結晶シリコン（Si）基板が薄板１および３の構成材料として使用され、マイクロチャネル１Cおよび薄板３の図示されないマイクロチャネルは、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、典型的には幅が25μm、深さが125μmのサイズで形成されている。このように幅が非常に狭いマイクロチャネルでは、流路壁面に境界層が形成されにくいため、冷却効率の向上が期待される。
【０００９】
上述の図２３に示した冷却装置１０においては、マイクロチャネルはシリコン基板上にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によって形成されているため、露光装置など高価な設備を必要とし、製造費用が高くなる問題が生じた。
また、冷却装置１０は薄板１および３として使われるシリコン基板、あるいはガラス等の絶縁体薄板２は機械的に脆弱であるため、製造歩留りの点でも問題があった。
また、これらの薄板１〜３を積層する時にも機械的に脆弱なことから、強く締付けることができず、シリコンゴム等のパッキンを薄板間のシールに用いても、長時間の運転を行った場合に漏水を引き起こすおそれがあった。
【００１０】
図２３の冷却装置１０は、薄板１〜３を積層した場合に電気抵抗が高くなる問題もあった。冷却装置１０においては、中間薄板２として、上下の薄板１および３を構成するシリコン基板に貼り合せるのに好適なガラスが使用され、さらに薄板間をシールするためにシリコンゴムが各々の薄板の間に挟まれているので、この状態では薄板１〜３を電気的に直列接続して半導体レーザアレイ４を駆動することは不可能であった。
【００１１】
このため、薄板１〜３の側壁面に金属膜をメタライズしたり、メタルクリップを使用する、あるいは金属粉末を含有した導電性シリコンゴムをパッキンとして使用する等の対策が講じられているが、直列電気抵抗が大きくなることは不可避で、この結果、ジュール発熱の増大を免れえなかった。
【００１２】
さらに、図２３の冷却装置１０は、マイクロチャネル以外を冷却に有効に利用しておらず、冷却効率をさほど高くできないという問題点も有した。すなわち、冷却装置１０では、マイクロチャネルを形成した薄板１および３の材料としてシリコンが使用されているが、シリコンの熱伝導率は金属の熱伝導率に比べて小さく、薄板１および３を介した熱伝導による発生熱量の除去が困難であった。
さらに、中間薄板２としてガラスを使用しているため、中間薄板２自体の熱伝導も殆ど作用しなかった。
しかも、ガラス製の薄板２では、その前端部２ａがスロット２Ｃによって他の部分から熱的にほとんど遮断されており、前端部２ａの冷却性能は著しく低下した。
このような構造にも関わらず、ガラス薄板２の前端部２ａは、その上面の薄板３に配設された半導体レーザアレイ４の近傍に位置するため、発生した熱の多くがガラス薄板２の前端部２ａに到達してしまった。
すなわち、冷却装置１０は、特に半導体レーザアレイが配設された薄板３に形成されている冷却液流路だけに負荷をかける設計になっており、この流路だけで冷却に必要な表面積を確保する必要があるので、微細な流路パターンを採用せざるを得なかった。
しかし、このような微細なマイクロチャネルは、加工コストも高く、さらに、冷却液中の微細な塵埃で流路が詰まりやすいので、冷却液の水質管理等の保守・維持費用も高くなるという問題があった。
【００１３】
図２４（ａ）〜（ｄ）は、特開平１０−２０９５３１号公報に記載されている従来の別の冷却装置２０の構成を示す分解図および半導体レーザ光源装置として組み立てられた状態を示す斜視図である。冷却装置２０は銅あるいは銅合金等の熱伝導率の高い金属板状部材２１〜２３を積層して形成されており、板状部材２１〜２３には、冷却液の入口開口部２１A、２２Aと２３A、および出口開口部２１B、２２Bと２３Bが形成されている。
【００１４】
板状部材２１〜２３は、典型的には２５０μmの厚さを有し、板状部材２１の上面には、前端部２１ａに沿って冷却液の流路として機能する平行な溝２１Ｃが、ピッチ４００〜５００μｍ、典型的には深さが１３０μｍ、幅が３００〜３５０μｍのサイズで形成されている。溝２１Ｃは、畝２１ｃにより画成され、畝２１ｃは冷却液入口２１Ａに向かって延在する。
【００１５】
この結果、溝２１Ｃから入口２１Ａに向かって収斂する溝２１Ｄが形成される。すなわち、入口２１Ａから導入された冷却液は、溝２１Ｄに沿って拡がり、前端面２１ａに隣接した溝２１Ｃに導かれる。
【００１６】
板状部材２２は図２４（ｄ）に示すように、板状部材２１上に、開口部２２Ａ，２２Ｂと対応する開口部２１Ａ，２１Ｂにそれぞれ整列させて積層されるが、板状部材２２には、板状部材２１上の溝２１Ｃのそれぞれに対応して、複数の貫通穴２２Ｃが前端面２２ａに沿って形成され、その結果、溝２１Ｃに導入された冷却液は、対応する開口部２２Ｃを通って板状部材２２の上側に到達する。
【００１７】
板状部材２２の上側には板状部材２３が配設されるが、板状部材２３は、板状部材２１と同一の部材を板状部材２２上に裏返した状態で配設することにより得られ、板状部材２１上の溝２１Ｃおよび２１Ｄと同様な溝が下面に形成されている。
ただし、溝２１Ｄに対応する溝は、出口開口部２３Ｂに収束し、板状部材２２の貫通穴２２Ｃを通って流入した冷却液は、板状部材２３に設けられた溝２１Ｃに対応する溝から溝２１Ｄに対応する溝を通って出口開口部２３Ｂに到達する。
【００１８】
図２４に示した従来の冷却装置２０では、板状部材２１〜２３の流路はリソグラフィ技術やレーザビーム加工等を用いることなく、単に溝を化学エッチングにより形成しているため、安価に冷却装置を製造できる。
さらに、薄板部材の材質として、銅あるいは銅合金等の比較的熱伝導率の高い材料を使用しているので、冷却液流路のみに負荷をかけることなく、比較的大きな熱容量を有する熱的に一体の構造体として形成できる。
【００１９】
また、図２４の冷却装置２０では、図２３に示す従来の冷却装置１０の連続したスリット１Cのかわりに互いに孤立した複数の貫通穴を形成することにより熱的に遮断された二つの領域に分割されることがなくなり、熱が隣り合う貫通穴の間の架橋部を介して、一の領域から他の領域に速やかに散逸することが可能である。
さらには、冷却液の流路がマイクロチャネルに比して断面形状の大きな溝であるため、水質維持等のメンテナンスも容易である。
【００２０】
図２４の冷却装置２０では、化学エッチングによる溝形成、および熱伝導率の高い金属部材により実質的には熱的に一体の構造物として構成することによって、冷却液流路のみに負荷をかける図２３の従来の冷却装置１０が有する問題点は解決されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかるに、板状部材２１の上面に前端部２１ａに沿って形成された溝２１Ｃ、および冷却液入口２１Aに向かって収斂する溝２１Dの断面寸法は板状部材の厚さにより規定され、特に溝の深さは板厚の半分程度しかとれないため、依然として微細な寸法の流路であり、冷却液中の塵埃による流路の詰まりの問題は完全には解決されておらず、厳密な水質管理は必要であった。
【００２２】
また、化学エッチングで形成される流路の幅および深さのばらつきにより、複数の溝２１Dに流路抵抗のばらつきが発生するため、冷却液入口２１Aから複数の貫通穴２２Cに導入される冷却液も均等に分配されないおそれがあった。これにより、薄板２３の上面に配設された半導体レーザアレイが長手方向に均一に冷却されないおそれがあり、このような場合、半導体レーザアレイ中で温度差が生じるが、バンドギャップエネルギーの温度依存性の影響の結果、出力波長が半導体レーザアレイを構成する個々の半導体レーザ間で不均一になる問題点が生じた。
【００２３】
さらに、前述したように、冷却液入口２１Aおよび冷却液出口２３Bまでの流路断面を大きくとることが困難なため、冷却装置２０自体の圧力損失が大きくなるので、所望流量の冷却液を送給するための送給手段の容量が増大し、装置コストの上昇を招いた。
本発明は、上記従来の冷却装置に見られる課題を解決した、新規で有用な冷却装置と、この冷却装置を備えた半導体レーザ光源装置、ならびに半導体レーザ光源ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る冷却装置は、被冷却体を所定の端部に沿って接合させた金属からなる第１の板状部材と、冷却液を導入する入口開口部および入口開口部に接続され端部に対応する領域の一端に達するよう設けられた冷却液導入溝と冷却液を排出する出口開口部および出口開口部に接続され端部に対応する領域の他端に達するよう設けられた冷却液排出溝がそれぞれ形成された金属からなる第２の板状部材と、端部に対応する領域に沿って形成され、かつ冷却液導入溝および冷却液排出溝に連通して被冷却体の長手方向に冷却液を流す少なくとも１以上の冷却用溝が設けられた金属からなる第３の板状部材と、を備えたものである。
【００２５】
このため、溝の断面積が従来構造より大きくとれるので、従来構造に比して加工コストが安く、異物による水路の詰まりや流路による高圧力損失の問題が解決され、また被冷却体の長手方向に沿って溝が設けられているため、被冷却体を効率良く冷却することができる。
さらに、上述の板状部材を交互に複数枚積層した積層体としてもよい。積層数を増やした結果として、被冷却体をより効率的に冷却することが可能となる。
また、上述の第２の板状部材が、被冷却体の長手方向に対して垂直方向に設けられた複数の冷却用溝を有することとしたものである。この結果、従来構造に比して断面積が大きい複数の溝により、被冷却体を効率良く冷却できる。
さらに、上述の第２の板状部材の溝の長さと第３の板状部材の複数個の溝全体の幅が略等しいこととしたので、より効果的に被冷却体を冷却できる。
【００２６】
また、本発明に係る冷却装置は、被冷却体を所定の端部に沿って接合させた金属からなる第１の板状部材と、冷却液を導入する入口開口部および入口開口部に接続され端部に対応する領域の一端に達するよう設けられた冷却液導入溝と冷却液を排出する出口開口部および出口開口部に接続され端部に対応する領域の他端に達するよう設けられた冷却液排出溝と、被冷却体の長手方向に対応する領域の一端から他端を連通する冷却用溝と、冷却用溝中に一端に空隙を有する分岐用の仕切りを交互に設け、冷却用溝に冷却液を流すことにより被冷却体を冷却する金属からなる第２の板状部材と、第２の板状部材と積層した場合に第２の板状部材の仕切りに対して空隙の位置が交互でかつ互いに重複するよう配置された仕切りを具備する冷却用溝が設けられた第３の板状部材と、を備えたので、分岐用の仕切りが冷却フィンの機能を果たし、より効果的に被冷却体を冷却することができる。
さらに、上述の第２の板状部材と第３の板状部材をそれぞれ複数枚交互に積層させて冷却装置を構成するので、より効率的に被冷却体を冷却できる。
【００２７】
また、本発明に係る半導体レーザ光源装置は、上述の被冷却体を半導体レーザとしたので、本発明の冷却装置により半導体レーザを効率的に冷却することができ、出力波長の均一なレーザ光が得られる。
【００２８】
また、本発明に係る半導体レーザ光源装置は、半導体レーザと上述の第１の板状部材の間に銅（Cu）と高融点金属からなる合金で構成されているサブマウントが載置されているので、半導体レーザと板状部材の線熱膨張係数との差を緩和し、半導体レーザに発生する歪を抑制することができるので、長期的に安定な動作が可能となる。
また、本発明に係る半導体レーザ光源装置は、上述の冷却装置の下部に接着され、第１の給電端子を具備する第１の給電用板状部材と、冷却装置の上部に絶縁体を介して固着され、一端に半導体レーザの上部と電気的に接続された金属からなる薄板を具備し、他端に第２の給電端子が設けられた第２の給電用板状部材と、を備えているので、電気抵抗の小さい半導体レーザ光源装置が得られる。
【００２９】
また、本発明に係る半導体レーザ光源ユニットは、上述の冷却装置と、半導体レーザ光源装置にシール部材を介して締結部材によって装着され、半導体レーザ光源装置に冷却液を供給する冷却液マニホルドと、を備えているので、各々の半導体レーザ光源装置を配列および固定するための部材が、配列された個々の半導体レーザ光源装置に冷却液を分配、回収するマニホルドの機能を兼ね備えているため、薄型でコンパクトな半導体レーザ光源ユニットを構成することができる。
【００３０】
さらに、上述の半導体レーザ光源装置を複数台としたので、より多くの冷却装置を充分に効率よく冷却させつつ、複数の半導体レーザ光源装置を駆動させることができる。
さらに、複数台の半導体レーザ光源装置の第１の給電端子を電気的に接続すべく架橋された第１の給電板と、第２の給電端子を電気的に接続すべく架橋された第２の給電板と、を備えているので、給電が容易でかつ冷却効率に優れた半導体レーザ光源ユニットが得られる。
【００３１】
さらに、複数台の半導体レーザ光源装置に対して別個独立に冷却液が流れることとしたので、効率良く冷却できる半導体レーザ光源ユニットが得られる。
さらに、複数台の冷却装置中の個々の半導体レーザ光源装置に順次冷却液が流れることとしたので、効率良く冷却できる半導体レーザ光源ユニットが得られる。
【００３２】
また、本発明に係る半導体レーザ光源ユニットを、板状部材の各々に所定の溝を化学エッチングにより形成する工程、複数の板状部材からなる積層体を互いに接着する工程、板状部材の積層体状に被冷却体を接合する工程、接合ピンを介して板状部材の積層体と冷却マニホルドを固着する工程、を備えた製造方法で作製したので、精度よくかつ効率的に半導体レーザ光源ユニットを製造することができる。
また、上述の半導体レーザ光源ユニットを装着して固体レーザ装置を構成したので、固体レーザを出力波長の極めて安定した半導体レーザアレイから発せられたレーザ光によって励起しているため、効率よくかつ安定な光出力が得られる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る冷却装置は、半導体レーザを冷却することにより安定に動作させる冷却装置として有用である。また、本発明に係る半導体レーザ光源装置および半導体レーザ光源ユニットは、例えば、固体レーザ等を励起する光源として有用であり、さらに、本半導体レーザ光源ユニットを装着した固体レーザ装置は、例えば、加工用光源として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００３５】
実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１による冷却装置３０Aを備えた半導体レーザ光源装置の構成を示す分解図、図１（ｅ）はかかる半導体レーザ光源装置が組立てられた状態を示す図である。図１において、３１は被冷却体である半導体レーザアレイ３４が接続された金属よりなる板状部材、３２Aおよび３２Bは冷却液の流路として機能する冷却用溝が形成された板状部材、３３は冷却液出入口としての開口部３３ａ,３３ｂが形成された板状部材である。
【００３６】
板状部材３１〜３３の厚さは積層体の厚さや積層枚数および冷却液流路を構成するための溝のパターン等から決定されるが、典型的にはそれぞれ100〜500μm程度の板状部材が選択される。
板状部材３２Aおよび３２Bには、板状部材３３に形成された冷却液出入口３３ａおよび３３ｂより導入および排出される冷却液の流路として機能する溝３２ａおよび３２ｄが形成される。さらに、板状部材３２Ａには、板状部材３１上に接合された半導体レーザアレイ３４の直下に近接する位置に、半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿って複数の（図１では２本）仕切り３２ｂが形成されており、この仕切り３２ｂによって形成された複数の冷却用溝３２ｃ（図１では３本）が半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿った複数の冷却液流路として機能する。
板状部材３１〜３３は積層されて、公知の液相拡散接合等の方法により接合され、図１（ｅ）に示すような内部に流路が形成された冷却装置３０Aとなる。かかる冷却装置３０Aでは、流路を形成する板状部材３２は、上面および下面の板状部材３１および３３と熱的、機械的に接続される。
【００３７】
図2（ａ）は、冷却装置３０Aの中心軸を通る線に沿った断面、すなわち図１のA−A’矢視印断面図、図2（ｂ）は冷却装置３０Aの冷却液流路として機能する溝３２ａおよび３２ｄに沿った断面、すなわち図１のB−B’矢視印断面図である。図2（ａ）に示すように、冷却液流路のための溝３２ａおよび３２ｄが形成されていない中心軸付近の流路は、仕切り３２ｂにより小さな冷却用溝３２ｃに分離され、しかも仕切り３２ｂは上下面の板状部材３１、３２Ｂと機械的および熱的に接続されている。
なお、本発明における溝の典型的な断面のサイズは、幅２ｍｍ程度、深さは板状部材３２と同一、すなわち１００〜５００μｍ程度で、従来例のマイクロチャネルの幅25μｍ、深さ１２５μｍに比して格段に大きい。
【００３８】
次に、かかる冷却装置３０Aの動作について説明する。板状部材３３に設けられた冷却液入口３３ａより導入された冷却液は、板状部材３２Ａおよび３２Ｂに形成された溝３２ｄおよび溝３２ａを介して、板状部材３１上に接合された半導体レーザアレイ３４の直下に近接する位置で、半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿って形成された複数の冷却用溝３２ｃへと導かれる。
冷却用溝３２ｃに導入された冷却液は、半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿って流れ、板状部材３２Ａおよび３２Ｂのもう一方の側に形成された溝３２ａおよび３２ｄを流れた後、板状部材３３の冷却液出口３３ｂより排出される。
かかる冷却装置３０Aでは、半導体レーザアレイ３４から発生する熱は、板状部材３１中の冷却液入口および出口開口部のに接した方向に沿って拡がりながら伝導すると同時に、板状部材３１から隣接する板状部材３２Ａ，３２Ｂへも伝導してゆく。さらに、板状部材３２に到達した熱は板状部材３２Ａ，３２Ｂ中を伝導すると同時に隣接する板状部材３３にも伝導する。
【００３９】
本実施の形態では、板状部材３２Ａで半導体レーザアレイ３４から最も多量の熱が伝導する前端部に冷却液流路を複数に分流させる仕切り３２ｂを設け、かかる仕切り３２ｂが上下面の板状部材３１および３３と熱的に接続されているので、仕切り３２ｂ自体も冷却フィンとして作用することにより、熱は効率的に冷却液にまで伝導して、冷却液の排出とともに冷却装置３０A外へと除去される。
【００４０】
このように、冷却装置３０Aは、実質的に熱的に一体の構造物として構成されており、この結果、半導体レーザアレイ３４から発生した熱は３次元的に効率良く伝導して、冷却装置３０Ａを流れる冷却液により除去されるので、効率よく冷却することが可能である。
また、冷却装置３０Aを構成する積層体は金属のみで構成されているので、半導体レーザ光源装置の電気抵抗を低減し、不要なジュール熱の発生を抑制することができる。さらに、冷却液流路を内部に具備する積層体は、液相拡散接合等の方法により一体化されているため、冷却液漏れの問題は長期的にも回避される。
【００４１】
また、上述したように冷却装置３０A内部の熱抵抗が小さいので、非常に微細な流路を形成する必要もなく、化学エッチングに代表される安価な製造方法で冷却液流路用の溝３２ａ等を形成することができ、流路の設計に関しても自由度が高いメリットがある。このように、マイクロチャネルに比して断面形状の大きな溝を形成できるので、塵埃除去等の水質管理も容易となる。
【００４２】
さらに、冷却液の流れが半導体レーザアレイ３４の長手方向と一致するように冷却液流路を形成しているため、従来の冷却装置で発生したような流路断面の寸法ばらつきによる冷却液流量の偏りに起因した冷却の不均一は発生しない。
また、万一塵埃によって一部の流路に詰まりが発生した場合においても、複数の冷却用溝３２ｃを用いて冷却液を被冷却体の長手方向に沿って流しているため、極端な冷却の不均一は起こらない。
【００４３】
本実施の形態の冷却装置３０Aでは、板状部材３２Ａにも、冷却液を導入あるいは排出するための溝３２ａを形成した構成を示したが、上述の板状部材３２Ｂに形成された溝３２ｄのみでも冷却液の導入あるいは排出は可能である。したがって、多量の冷却液を必要とせず、冷却装置３０A内の圧力損失が問題とならない場合には、特に上述の溝３２ａを形成する必要はない。
【００４４】
また、図１の冷却装置３０Aでは、冷却液流路として機能する溝が形成された板状部材３２Ａおよび３２Ｂをそれぞれ１枚ずつ積層した構成を示したが、図３に示すように板状部材３２Ａおよび板状部材３２Ｂを交互にして複数積層した冷却装置構造３０Ｂのように構成しても良い。積層数を増やすことにより、被冷却体である半導体レーザアレイ３４をより効率的に冷却することが可能となるからである。
【００４５】
図４（ａ）は、板状部材３２Ａおよび板状部材３２Ｂをそれぞれ２枚ずつ積層した場合における積層体３０Bの中心軸に沿った断面図、すなわち図３の各板状部材が積層された場合のC−C’矢視印断面図であり、図４（ｂ）は、積層体３０Ｂの冷却液流路として機能する溝３２ａおよび溝３２ｄに沿った断面における断面、すなわち、図３の各板状部材が積層された場合のD−D’矢視印断面図である。
【００４６】
このように、複数組の板状部材３２Ａおよび３２Ｂを積層する場合には、板状部材３２Ａに冷却液導入あるいは排出用の溝３２ａを形成しておく必要がある。
【００４７】
実施の形態２．
実施の形態１では、板状部材３２Ｂにおいて、半導体レーザアレイ３４が接続された位置の下面に近接する位置には冷却液の流路として機能する溝が形成されていなかったが、図５に示すように、板状部材３２Cに板状部材３２Ａの冷却用溝３２ｃ中の冷却液の流れに対して垂直なスリット状の冷却用溝３２ｅを一定の間隔で形成しても良い。
図６（ａ）は、かかる板状部材３２Ｃを用いて形成された冷却装置３０Cにおいて、スリット状の冷却用溝３２ｅが形成された位置における冷却液流路の断面図、すなわち、図５の各板状部材が積層された場合のE−E’矢視印断面図を示しており、図６（ｂ）は、隣り合うスリット状の冷却用溝３２ｅの間の仕切り３２ｆが存在する位置における冷却液流路の断面図、すなわち図５の各板状部材が積層された場合のF−F’矢視印断面図を示している。
【００４８】
スリット状の冷却用溝３２ｅは半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿って、一定のピッチで複数個配列されているので、図６（ａ）に示された流路は、同図の紙面垂直方向にスリット状の冷却用溝３２ｅの幅に相当する冷却液流路の長さを具備し、図６（ｂ）に示された流路は、同図の紙面垂直方向に隣り合うスリット状の冷却用溝間に形成される仕切り３２ｆの幅に相当する冷却液流路の長さを具備しており、このような流路がスリット状の冷却用溝３２ｅの数に応じて交互に繰り返される。すなわち、板状部材３２Ｂに形成されたスリット状の冷却用溝３２ｅの数に応じて、冷却装置３０Ｃに導入された冷却液は図６（ａ）および（ｂ）に示した断面を交互に繰り返して流れることになる。
【００４９】
このような流路が形成された冷却装置３０Ｃにおいては、実施の形態１による冷却装置と同様の効果が得られるとともに、半導体レーザアレイ３４が接続された位置の下面における冷却液流路の断面形状が、スリット状の冷却用溝３２ｅと仕切り３２ｆの幅に相当する間隔で繰り返し変化するため、冷却液の流れを効果的に撹拌し、境界層の形成を抑制することにより冷却効率をさらに向上することができる。
【００５０】
なお、実施の形態２においても、実施の形態１で示した冷却装置３０Ａと同様、図７に示すように、板状部材３２Ａおよび板状部材３２Ｃを交互にしてそれぞれを複数積層して構成しても良い。図７では、板状部材３２Ａを２枚と３２Ｃを１枚とした構成としており、この場合の流路の断面形状は、図７の各板状部材が積層された場合のG−G’矢視印断面を表した図８（ａ）およびH−H’矢視印断面図を表した図８（ｂ）に示したものとなる。
冷却装置３０Ｄをかかる構成にすれば、図５に示した冷却装置３０Ｃに比較して、冷却液と接触する流路の表面積が増大するので、冷却効率をさらに高めることが可能である。なお、上記の構成は板状部材３２Ａ及び３２Ｃを複数枚重ねて構成した冷却装置３０Ｄの一例であって、さらに多数の部材を積層して構成することもできる。
【００５１】
実施の形態３．
図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態３による冷却装置３０Ｅを備えた半導体レーザ光源装置の構成を示す分解図である。図９において、実施の形態１による冷却装置と同一もしくは同等の部材については図１と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
実施の形態３において、半導体レーザアレイ３４が接続された板状部材３１および冷却液出入口のための開口部が形成された板状部材３３については、上述の実施の形態１に示された部材と同一のものが用いられる。
【００５２】
図９（ｂ）において、板状部材３２Ｄには、冷却液を導入あるいは排出するための流路として機能する溝３２ｇが両側面近傍に形成され、板状部材３１上に接合された半導体レーザアレイ３４の直下に近接する位置に、半導体レーザアレイ３４の長手方向に溝３２ｇと連続して形成された冷却用溝３２ｈを具備する。
【００５３】
冷却用溝３２ｈは、一端は上述の板状部材３２Ｄと接続され、他端が板状部材３２Ｄから切り離されて櫛状に形成された複数の分岐３２ｉによって、複数の溝に分岐されている。
また、複数の櫛状分枝３２ｉと板状部材３２Ｄとの接続部は、板状部材３２Ｄの両側面に交互に設けられている。
図９（ｃ）に示した板状部材３２Ｅは、上述の板状部材３２Ｄと同様な冷却用溝３２ｊが形成されており、半導体レーザアレイ３４の直下に近接する位置の流路が、分枝３２ｋにより複数の流路に分岐されている。
ただし、板状部材３２Ｄと板状部材３２Ｅを積層した際に、分枝３２ｋと板状部材３２Ｅの接続部の位置と、分枝３２ｉと板状部材３２Ｄとの接続部の位置とが互いに一致しないように、板状部材３２Ｄと板状部材３２Ｅとが互いに中心軸に対して対称なパターンを呈している。
【００５４】
図１０（ａ）は、冷却装置３０Ｅの中心軸に沿った断面図、すなわち図９の各板状部材が積層された場合のI−I’矢視印断面図、図１０（ｂ）は冷却装置３０Ｅの冷却液流路として機能する溝３２ｇに沿った断面図、すなわち図９の各板状部材が積層された場合のJ−J’矢視印断面図である。図１０（ａ）に示すように、半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿った流路が形成されている中心軸付近の流路は、板状部材３２Ｄに形成された分枝３２ｉおよび板状部材３２Ｅに形成された分枝３２ｋにより複数の流路に分岐される。
さらに、これらの分枝３２ｉおよび３２ｋは、上下面に積層される板状部材３１および板状部材３３と機械的、熱的に接続され冷却液の流れ方向に沿った冷却フィンを構成する。
【００５５】
また、半導体レーザアレイ３４の直下近傍に位置する冷却液流路の断面は、図１０（ｂ）に示すように分枝と板状部材の接続部が板状部材３２Ｄと３２Ｅで交互に現れるように構成されている。
以上のように構成された実施の形態３による冷却装置３０Ｅについても、実施の形態１で示した装置３０Ａで述べた種々の効果と同様の効果を得ることができる。
さらに、実施の形態１で示した冷却装置３０Ａと同じ枚数の板状部材で、より大きな流路断面を有する流路が構成できるので、冷却装置３０Ｅ内を流す冷却液流量を増大させることができ、さらには冷却液と接触する流路の面積も増大するため、冷却効率をさらに高めることが可能である。
【００５６】
実施の形態３に示した冷却装置３０Ｅでは、冷却液流路として機能する溝が形成された板状部材３２Ｄおよび３２Ｅをそれぞれ１枚ずつ積層した構成を示したが、図１１に示すように、冷却装置３０Ｆを板状部材３２Ｄおよび板状部材３２Ｅを交互にして複数積層して構成しても良い。
なお、交互に複数枚積層したそれぞれの板状部材３２Ｄと３２Ｅの枚数は、図１１のように同数であっても良いし、あるいは３２Ｅが1枚少ないような構成であっても良い。
【００５７】
図１２（ａ）は、実施の形態３に示した冷却装置において、板状部材３２Ｄおよび板状部材３２Ｅをそれぞれ２枚ずつ積層した場合における冷却装置３０Ｆの中心軸に沿った断面図、すなわち、図１１の各板状部材が積層された場合のK−K’矢視印断面図であり、図１２（ｂ）は、冷却装置３０Ｆの冷却液流路として機能する溝３２ｇに沿った断面図、すなわち、図１１の各板状部材が積層された場合のL−L’矢視印断面図である。
【００５８】
図１０に示した場合と同様、半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿った流路が形成されている中心軸付近の流路は、板状部材３２Ｄに形成された分枝３２ｉおよび板状部材３２Ｅに形成された分枝３２ｋにより、さらに複数の流路に分岐される。
これらの分枝３２ｉおよび３２ｋは、上下面に積層される板状部材３１および板状部材３３と機械的、熱的に接続され冷却液の流れ方向に沿った冷却フィンを構成する。
また、半導体レーザアレイ３４の端面付近に位置する冷却液流路の断面は、図１２（ｂ）に示すように分枝３２ｉと板状部材の接続部が、板状部材３２Ｄと３２Ｅで垂直および水平方向に交互に現れるように構成されている。
このような構成とすることにより、より大きな流路断面を有する流路が構成できるので、冷却装置３０Ｅ内を流す冷却液流量を増大させることができ、さらには冷却液と接触する流路の面積も増大するので、半導体レーザアレイ３４の発熱量が増大した場合にも高い冷却効率を維持できる。
【００５９】
図９に示した冷却装置３０Ｅにおける分枝３２ｉおよび３２ｋによる冷却フィンの効果を確かめるため、比較実験を行った。図１３に実験結果を示す。なお、冷却流路を流れる冷却水量は０．５リットル／分である。図１３から明らかなように、冷却フィンの無い構造では熱抵抗が平均０．８６K／Wであるのに対し、冷却フィンを有する冷却装置３０Eでは平均０．６７K／Wに低減しており、本発明の冷却装置３０Ｅの効果を実証することができた。
【００６０】
実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４による冷却装置３０Ｇを備えた半導体レーザ光源装置の構成を示す図である。図１４において、実施の形態１〜３による冷却装置と同一もしくは同等の部材については同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施の形態４では、先の実施の形態１〜３に示した冷却装置において、被冷却体である半導体レーザアレイ３４と、冷却装置３０Ｇを構成している板状部材３１との熱的、機械的な接合に、半導体レーザアレイ３４の構成材料（主にガリウム砒素、GaAs）の線熱膨張係数と板状部材３１の構成材料（代表的にはCu）の線熱膨張係数の中間的な値を有する材料で形成されたサブマウント３５が介されている。
【００６１】
すなわち、板状部材３１、サブマウント材料、半導体レーザアレイの構成材料、各々の線膨張係数は、
板状部材＞サブマウント材料＞半導体レーザアレイの構成材料  （１）
という関係が成立するよう、サブマウント材料が選択されている。
【００６２】
このサブマウント３５の材料は、半導体レーザアレイ３４の構成材料が最も一般的なガリウム砒素（ＧａＡｓ）の場合では、上述の不等式（１）の関係を満足する銅タングステン（CuW）、銅モリブデン（CuMo）等の銅（Cu）と高融点金属の合金が好適である。
上記のような構成とすることにより、半導体レーザアレイ３４から見た冷却装置３０Ｇの熱抵抗は、サブマウント３５を介さずに直接半導体レーザアレイ３４を板状部材３１に接続する場合に比べて増加する傾向にあるが、サブマウント３５を極めて薄く、具体的には100〜300μm程度の厚さで形成することにより、わずかな熱抵抗の増加に抑えることが可能である。
【００６３】
サブマウント３５を介さずに直接半導体レーザアレイ３４を板状部材３１に接続すると、レーザ発振時に双方を構成する材料の線熱膨張係数の差によって、半導体レーザアレイ３４に機械的歪が発生し、半導体レーザアレイ３４が破壊される危険性が高くなる。
実施の形態４では、サブマウント３５を介して半導体レーザアレイ３４を冷却装置３０Ｇに熱的、機械的に接続することにより、板状部材３１の線熱膨張係数との差を緩和し、半導体レーザアレイ３４に発生する歪を抑制することができるので、長期的に安定な動作が可能となる。
【００６４】
実施の形態５．
実施の形態１〜３に示した冷却装置では、積層体を構成する各々の板状部材は、代表的にはCu等の熱伝導率に優れた金属材料を用い、全て同一の材料によって構成されていた。
一方、実施の形態５による冷却装置では、先の実施の形態１~３に示した冷却装置において、半導体レーザアレイ３４が接合された板状部材３１が、半導体レーザアレイの構成材料の線熱膨張係数に近似した値を有する材料、具体的にはCuW、CuMo等で構成されている。
【００６５】
上述したCuWおよびCuMo等の材料は、Cuに比べて熱伝導率が小さいので、板状部材３１にこれらの材料を使用すると、板状部材３１の伝熱性能はCuを使用した実施の形態１〜３の冷却装置より劣ることになるため、冷却装置単体としての冷却性能は低下する。
しかしながら、実施の形態５では半導体レーザアレイ３４を直接板状部材３１に熱的、機械的に接合しており、実施の形態４で示されたサブマウント３５およびこのサブマウント３５を接合した際に生じる接合層による熱抵抗は存在しないので、板状部材３１の熱伝導率の低下による熱抵抗増大の効果は相殺され、むしろ半導体レーザアレイ３４から見た冷却装置の熱抵抗を低減できる。
すなわち、実施の形態５に示された冷却装置では、実施の形態１〜３に示された冷却装置と同様の効果が得られるとともに、さらに冷却装置の熱抵抗を低減できる効果がある。
【００６６】
また、半導体レーザアレイの構成材料に近似した線熱膨張係数の値を有する材料で板状部材３１を構成したので、半導体レーザアレイ３４を直接板状部材３１に接合しても、線熱膨張係数の差による半導体レーザアレイ３４の歪の発生を抑制でき、実施の形態４による冷却装置と同様に、長期的に安定なレーザ発振が可能となる。
【００６７】
実施の形態６．
図１５は、本発明の実施の形態６による冷却装置６０を備えた半導体レーザ光源装置６１の構成を示す図であり、図１５（ａ）はレーザ光源装置の上面図、図１５（ｂ）は側面図、図１５（ｃ）は下面図をそれぞれ示している。図１５において、先の実施の形態による冷却装置と同一もしくは同等の部材については同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６８】
図１５で、３１、３２Ａおよび３２Ｂは積層体を構成する板状部材であり、これらは先の実施の形態で示した部材と同一のものである。図１５において、６３は先の実施の形態に示された冷却装置の薄板部材３３に代わり給電端子６７を備えた板状部材であり、本実施の形態６による冷却装置６０は、これらの板状部材３１、３２Ａ，３２Ｂおよび６３を積層することにより構成されている。
【００６９】
また、６２は導電性に優れた金属より構成され、冷却装置６０と類似の形状を有する上部電極である。冷却装置６０の板状部材３１上には、（１）式の関係を満足する材料、具体的にはCuW、CuMo等で形成されたサブマウント３５ａを介して半導体レーザアレイ３４がAuSn合金はんだ等の高融点ハンダにより接合されている。
【００７０】
この半導体レーザアレイ３４の上面には、サブマウント３５ａと同一材料で形成されたサブマウント３５ｂが同様にAuSnハンダにより接合されており、このサブマウント３５ｂを介してAu、Cu等で構成された金属薄板（もしくは金属箔）６６が接合される。
【００７１】
図１５（ｃ）では、実施の形態３に示された冷却液流路を形成する板状部材３２Ａと板状部材３２Ｂをそれぞれ１枚ずつ積層した冷却装置により半導体レーザ光源装置を構成した場合を示しているが、これまでに示したいずれの冷却装置で半導体レーザ光源装置を構成しても構わない。
【００７２】
冷却装置６０と上部電極６２に挟まれた部材６５ａおよび６５ｂは、絶縁材料より構成された絶縁板であり、冷却装置６０と上部電極６２を機械的に接続して一体化構造としつつ、冷却装置６０と上部電極６２とを電気的に絶縁する機能を果たしている。
このため、駆動電源より供給された電流は、冷却装置６０から半導体レーザアレイ３４を経由して上部電極６２へと流れ、駆動電源に戻る。これにより、半導体レーザアレイ３４がレーザ発振する。なお、極性を逆転させた場合の電流の経路が上記と逆になることは言うまでもない。
【００７３】
実施の形態６に示された半導体レーザ光源装置６１では、実施の形態１〜３に示した半導体レーザ光源装置と同様に、冷却装置６０を構成する積層体はCu等の導電性に優れた金属のみにより構成されており、また電源より供給される電流の経路となるサブマウント３５ａ、金属薄板６６および上部電極も導電性に優れた金属より構成され、これらの部材の接続はハンダ接合等の手段により行われているので、低抵抗かつ信頼性の高い電気的コンタクトが得られる。
【００７４】
したがって、電気抵抗の小さい半導体レーザ光源装置を実現することができ、これにより動作時の不要なジュール熱の発生を抑制することができる。さらに、冷却液流路を内部に形成する積層体についても、液相拡散接合等の方法により一体化されているため、冷却液漏れの問題も長期的に回避される。
【００７５】
また、積層体を構成する板状部材は熱伝導性にも優れており、冷却装置６０内部の熱抵抗が小さいので、非常に微細な流路を形成する必要もなく、化学エッチングに代表される安価な手段で冷却液流路用の溝を形成することができ、流路の設計に関しても自由度が高い。このようにマイクロチャネルに比して断面形状の大きな溝を形成できるので、塵埃除去等の水質管理も容易となる。
【００７６】
さらに、図１５（ｃ）の破線部分で示したような冷却液の流れが半導体レーザアレイ３４の長手方向と一致する冷却液流路を形成しているため、流路断面の寸法ばらつきによる冷却液流量の偏りに起因した冷却の不均一は発生しない。
また、万一塵埃によって一部の流路に詰まりが発生した場合においても、冷却液を半導体レーザアレイ３４の長手方向に沿って流しているため、極端な冷却の不均一は起こらない。
したがって、半導体レーザアレイ３４中の個々の半導体レーザから出射されるレーザ光の出力波長のばらつきが抑制されるので、鋭いスペクトルを有するレーザ光出力が可能な半導体レーザ光源装置を実現できる。
【００７７】
実施の形態７．
図１５では、半導体レーザアレイ３４はサブマウント３５ａを介して板状部材３１に接合されていたが、実施の形態５に示されているように、半導体レーザアレイ３４を直接板状部材に熱的、機械的に接続した冷却装置を用いても良い。
この場合、実施の形態６に示された半導体レーザ光源装置６１に使用される冷却装置に比較して、さらに熱抵抗を低減できる。
【００７８】
また、半導体レーザアレイ３４の構成材料に近似した線膨張係数の値を有する材料で板状部材３１を構成しているので、線熱膨張係数の差による半導体レーザ構成材料中に生じる歪に起因する結晶欠陥の発生、転位を抑制でき、この結果、長期的に安定なレーザ光出力が可能となる。
【００７９】
実施の形態８．
図１６は、本発明の実施の形態７による冷却装置６０を備えた半導体レーザ光源装置７０２の構成を示す分解図である。なお、先に説明した部材と同一あるいは同等の部材については同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
図１６において、６１は冷却装置６０、半導体レーザアレイ３４および上部電極６２等から構成される半導体レーザ光源装置である。７０３はかかる半導体レーザ光源装置６１に冷却液を供給、回収するための冷却液マニホルドであり、内部に冷却液流路が形成されている。
【００８０】
この冷却液マニホルド７０３は、半導体レーザ光源装置６１に冷却液を供給、回収するとともに、７０７に示したネジあるいはボルト等による締結部材によって半導体レーザ光源装置６１を固定する台座としての機能を併せ持つ。半導体レーザ光源装置６１は、２本のピン７０４により位置ずれが起こらないよう、高精度に位置決めされて冷却液マニホルド７０３に固定される。７０６はＯリング等のシール部材であり、冷却液流路の水密を維持する。
【００８１】
冷却液マニホルド７０３が金属等の導電性材料で構成されている場合で、半導体レーザ光源装置６１と冷却液マニホルド７０３を電気的に絶縁する必要がある場合には、ポリイミド等の絶縁性材料で形成された絶縁シート７０５を介して固定される。
【００８２】
同様に、半導体レーザ光源装置６１と冷却液マニホルド７０３の双方に接触している位置決めピン７０４およびボルト７０７についても絶縁が必要になるので、位置決めピン７０４についてはセラミックあるいは樹脂等に形成する。またボルト７０７は、ポリカーボネート等の樹脂製のものを使用するか、金属製の場合には絶縁ワッシャー７０８を挟むことにより絶縁することができる。
【００８３】
なお、特に冷却液マニホルド７０３と半導体レーザ光源装置６１を電気的に絶縁する必要がない場合には、絶縁シート７０５および絶縁ワッシャー７０８は不要であり、部品点数の削減が可能である。また、位置決めピン７０４およびボルト７０７は導電性材料で形成しても構わない。
【００８４】
実施の形態８では、図１７に示すように、冷却装置６０に位置決めピン７０４を貫通させるため、板状部材３１，３２Ａ，３２Ｂと６３による積層体にピン穴７１１ａおよび７１１ｂが設けられている。さらに、固定ボルト７０７用のネジ穴７１２が設けられている。
【００８５】
これらのピン穴およびネジ穴は、板状部材３１，３２Ａ，３２Ｂと６３による積層体を形成した後に機械加工により形成するか、あるいは積層体を形成する前に個々の板状部材の形成と同時に形成しておいても良い。
後者の場合、板状部材３１，３２Ａ，３２Ｂおよび６３の全ての部材に上述のピン穴を形成しておけば、ピン穴７１１ａおよび７１１ｂを、積層体を構成する際の板状部材の位置決め穴として利用することができるので、特殊な冶具を必要とすることなく容易に積層体を形成できる。
【００８６】
図１６は、１個の半導体レーザ光源装置６１の冷却液マニホルド７０３への固定方法を示しているが、実施の形態８による半導体レーザ光源ユニット７０２は、図１８（ａ）の組立て図に示すように、図１６の紙面垂直方向に複数の半導体レーザ光源装置６１が配列、固定された高出力レーザ光源装置として構成されている。図１８では、半導体レーザ光源装置６１を４個配列、固定した半導体レーザ光源ユニットの構成例を示している。
【００８７】
図１８に示すように、個々の半導体レーザ光源装置６１ａないし６１ｄは全て、先に説明した固定方法により冷却液マニホルド７０３上に固定される。隣り合う半導体レーザ光源装置６１ａないし６１ｄは、互いに接触しないように、位置決めピン７０４によって一定の間隔をおいて位置決め、固定される。
【００８８】
図示されていない駆動電源からの配線は、半導体レーザ光源ユニット７０２の一端に位置する半導体レーザ光源装置６１ａの冷却装置側の給電端子と、他端に位置する半導体レーザ光源装置６１ｄの上部電極側の給電端子に接続される。隣接する半導体レーザ光源装置は、給電板７１４によって半導体レーザ光源装置６１ａの上部電極から半導体レーザ光源装置６１ｂの冷却装置側の給電端子へ架橋され、図示しないネジ等の結合部品により電気的に接続される。
【００８９】
図１９は給電板７１４の概略構成を示したものである。ここで、図１９（ａ）は給電板７１４の断面図、（ｂ）は上面図をそれぞれ示す。同様にして、半導体レーザ光源装置６１ｂ、６１ｃ、６１ｄについても給電板７１４を介して順次、架橋される。
したがって、駆動電源からの電流が半導体レーザ光源装置６１ａの冷却装置側の給電端子へ供給された場合には、半導体レーザ光源装置６１ａから半導体レーザ光源装置６１ｄへと順次直列的に電流が流れることにより、個々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄよりレーザ光が出射される。
【００９０】
次に、冷却液の流れについて図１８に基づき説明する。図示しないチラー等の冷却装置より冷却液マニホルド７０３の入口７１３ａに導入された冷却液は、主管流路７１５ａを経由して支管流路７１６ａ〜７１６ｄへと均等に分配され、個々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄへと流入する。
分配された冷却液は半導体レーザ光源装置内部の冷却液流路を流れた後、各々の支管流路７１７ａ〜７１７ｄより主管流路７１５ｂを経て、出口７１３ｂより冷却装置に戻る。
以上のように構成された実施の形態８による半導体レーザ光源ユニット７０３では、冷却装置を含めた半導体レーザ光源装置を複数個配列してレーザ光源ユニットを形成する際に、各々の半導体レーザ光源装置を配列および固定するための部材が、配列された個々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄに冷却液を分配、回収する冷却マニホルドの機能を兼ね備えているため、薄型でコンパクトな半導体レーザ光源ユニットを構成することができる。
【００９１】
また、冷却装置を含む半導体レーザ光源装置は、複数の板状部材を積層することにより一体構造物として形成され十分な機械的強度を有するので、冷却液マニホルド７０３との固定にはネジ、あるいはボルトやナット等の機械的締結により各々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄを個々に強く締付けることができるため、冷却液マニホルド７０３と半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄの接続部分での冷却液漏れが発生する恐れがない。
さらには、各々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄへの冷却液の分配および回収のために形成された冷却液マニホルド７０３内部の流路は大きな断面寸法を有し、塵埃の詰まり等によって各々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄに分配される冷却液の流量に偏りが生じる恐れもないため、配列された各々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄ装置に均一に分配され、これにより出力波長のばらつきも小さく鋭いスペクトルを有するレーザ光出力が可能な半導体レーザ光源ユニットを実現できる。
【００９２】
実施の形態９．
実施の形態８では、各々の半導体レーザ光源装置に冷却液を並列分配する流路を形成した冷却液マニホルドにより半導体レーザ光源ユニットが構成されていたが、実施の形態９では、図２０に示した流路が形成された冷却液マニホルド８０３により半導体レーザ光源ユニットを構成し、冷却液流路を直列に形成することができる。
なお、図２０に示した流路を有する冷却液マニホルドを一体物から形成することは困難なため、例えば、同図のM−M’部で分けられた2つの部材８０３ａおよび８０３ｂを形成後、両者をロウ付け等の手段により接合して形成する。図２０のような流路を有する冷却液マニホルド８０３では、隣接する半導体レーザ光源装置で半導体レーザ光源装置内部における冷却液の流れ方向が異なる。
【００９３】
しかし、先に示したいずれの冷却装置に形成された冷却液流路も、冷却液の流れ方向に左右されず均一な冷却が可能であるため、実施の形態７の半導体レーザ光源ユニットと同様の効果を得ることができる。
【００９４】
また、冷却液は個々の半導体レーザ光源装置を直列的に流れるため、半導体レーザ光源装置間での流量ばらつきは全く生じず、出力波長のばらつきが極めて小さく鋭いスペクトルを有するレーザ光出力が可能な半導体レーザ光源ユニットを実現できる。
【００９５】
実施の形態１０．
実施の形態８および実施の形態９に示された半導体レーザ光源ユニットにおいて、冷却液マニホルドに配列、固定された各々の半導体レーザ光源装置は、電気的に直列に接続されていた。
本実施の形態１０の半導体レーザ光源ユニットでは、図２１に示すように、冷却液マニホルド７０３に配列、固定された各々の半導体レーザ光源装置６１ａ〜６１ｄに形成された上部電極側の給電端子どうし、冷却装置側の給電端子どうしを接続するための図２２に示すような給電板７１４ａを用いることにより、駆動電源からの電流を並列分配するような回路構成としている。ここで、図２２（ａ）は給電板７１４ａの断面図を、（ｂ）は上面図をそれぞれ示す。
【００９６】
なお、冷却液流路については、個々の半導体レーザ光源装置に冷却液を並列分配する冷却液マニホルド、あるいは冷却液を直列的に供給する冷却マニホルドのいずれを用いても良い。
【００９７】
かかるレーザ光源ユニットでは、駆動電源からの電流を各々の半導体レーザ光源装置に対して並列に分配する構成としているので、隣接する半導体レーザ光源装置の上部電極間、および冷却装置間を電気的に絶縁する必要がない。
したがって、実施の形態８および実施の形態９に示された半導体レーザ光源ユニットのように、隣接する半導体レーザ光源装置を電気的に絶縁するために一定間隔をおいて配列、固定する必要がないため、よりコンパクトな半導体レーザ光源ユニットを実現できる。
【００９８】
実施の形態１１．
実施の形態１１では、実施の形態８〜１０に示された半導体レーザ光源ユニットにおいて、冷却液マニホルドを樹脂等の絶縁性材料で形成する。
このような半導体レーザ光源ユニットにおいては、冷却液マニホルドの材質を変えただけで、その他の部材については先の実施の形態８〜１０に示された半導体レーザ光源ユニットと同一であり、これらと同様の効果を有する。
【００９９】
さらに、冷却液マニホルドを絶縁性材料で形成することにより、半導体レーザ光源装置と冷却液マニホルドを電気的に絶縁する必要がある場合においても、絶縁シート７０５や絶縁ワッシャー７０８は不要である。
また、位置決めピン７０４、あるいは半導体レーザ光源装置を固定するためのボルト７０７についても金属製の安価な部材で構成することができる。
このように、部品点数を削減できるだけでなく、より安価な材料を使用することができるので、組立てが容易で安価な半導体レーザ光源ユニットを実現できる。
【０１００】
実施の形態１２．
上述の半導体レーザ光源ユニットを励起光源として固体レーザロッドの側面に装着することにより、被加工対象物を加工することが可能な固体レーザ装置が得られる。かかる固体レーザ装置では、固体レーザを出力波長の極めて安定した半導体レーザアレイから発せられたレーザ光によって励起しているため、効率よくかつ安定な光出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１による冷却装置の構成を示す分解図であり、（ｅ）は、（ａ）〜（ｄ）の部材により構成される積層体を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は図１のA−A’矢視印断面図であり、（ｂ）は図１のB−B’矢視印断面図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す分解図である。
【図４】図４（ａ）は図３のC−C’矢視印断面図であり、（ｂ）は図３のD−D’矢視印断面図である。
【図５】図５は本発明の実施の形態２による冷却装置の構成を示す分解図である。
【図６】図６（ａ）は図５のE−E’矢視印断面図であり、（ｂ）は図５のF−F’矢視印断面図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態２による他の冷却装置の構成を示す分解図である。
【図８】図８（ａ）は図７のG−G’矢視印断面図であり、（ｂ）は図７のH−H’矢視印断面図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態３による冷却装置の構成を示す分解図である。
【図１０】図１０（ａ）は図９のI−I’矢視印断面図であり、（ｂ）は図９のJ−J’矢視印断面図である。
【図１１】図１１は本発明の実施の形態３による他の冷却装置の構成を示す分解図である。
【図１２】図１２（ａ）は図１１のK−K’矢視印断面図であり、（ｂ）は図１１のL−L’矢視印断面図である。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態３による冷却装置において冷却フィンの有無による熱抵抗の変化を示すグラフである。
【図１４】図１４は本発明の実施の形態４による他の冷却装置の構成を示す外観図である。
【図１５】図１５は本発明の実施の形態６による半導体レーザ光源装置の外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図１６】図１６は本発明の実施の形態８による半導体レーザ光源ユニットの構成を示す、側面から見た分解図である。
【図１７】図１７は本発明の実施の形態８による半導体レーザ光源ユニットを構成する半導体レーザ光源装置の外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図１８】図１８は本発明の実施の形態８による半導体レーザ光源ユニットの構成を示す外観図であり、（ａ）は後面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図１９】図１９は本発明の実施の形態８による半導体レーザ光源ユニットに使用される給電板の外観図である。
【図２０】図２０は本発明の実施の形態９による半導体レーザ光源ユニットに使用される冷却液マニホルドの流路構造を示す図である。
【図２１】図２１は本発明の実施の形態１０による半導体レーザ光源ユニットの構成を示す外観図であり、（ａ）は後面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図２２】図２２は本発明の実施の形態１０による半導体レーザ光源ユニットに使用される給電板の外観図である。
【図２３】図２３は従来の半導体レーザアレイの冷却装置の構成を示す分解図である。
【図２４】図２４は従来の別の半導体レーザアレイの冷却装置の構成を示す分解図である。
【図１】
2007134746.tif 000003
【図２】
2007134746.tif 000004
【図３】
2007134746.tif 000005
【図４】
2007134746.tif 000006
【図５】
2007134746.tif 000007
【図６】
2007134746.tif 000008
【図７】
2007134746.tif 000009
【図８】
2007134746.tif 000010
【図９】
2007134746.tif 000011
【図１０】
2007134746.tif 000012
【図１１】
2007134746.tif 000013
【図１２】
2007134746.tif 000014
【図１３】
2007134746.tif 000015
【図１４】
2007134746.tif 000016
【図１５】
2007134746.tif 000017
【図１６】
2007134746.tif 000018
【図１７】
2007134746.tif 000019
【図１８】
2007134746.tif 000020
【図１９】
2007134746.tif 000021
【図２０】
2007134746.tif 000022
【図２１】
2007134746.tif 000023
【図２２】
2007134746.tif 000024
【図２３】
2007134746.tif 000025
【図２４】
2007134746.tif 000026