(57)【要約】【課題】本発明は半導体レーザ装置に関し、レーザの漏れ光および発熱体からの輻射熱がパッケージ内部に留まることでパッケージ内部の温度が上昇し、信頼性や品質が悪化するのを防止することを目的とするものである。【解決手段】そしてこの目的を達成するために本発明は、パッケージ５内部にレーザ光および輻射熱吸収層１８を施す構造としたものである。  このため、パッケージ５内部の温度上昇を抑制でき、半導体レーザ装置の信頼性や品質を確保できるとともに、より高出力の半導体レーザ素子１を搭載することが可能となる。【選択図】図１
2012248668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに集光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部に光および輻射熱を吸収する層を設けた半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記筐体がレーザ出射部を保持する筐体本体と蓋部で構成され、前記蓋部に光および輻射熱を吸収する層を設けた請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記筐体内部より筐体外部へレーザ光を導光する光ファイバを保持するファイバガイド部を設け、前記ファイバガイドに光および輻射熱を吸収する層を設けた請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記光および輻射熱を吸収する層が４００ナノメータから２５００ナノメータの可視光から近赤外光までの吸収特性を有する請求項１から３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記光および輻射熱を吸収する層が８００ナノメータから１１００ナノメータの近赤外光で吸収特性を有する請求項１から４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記光および輻射熱を吸収する層が黒色のアルマイトである請求項１から５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記光および輻射熱を吸収する層が黒色の金属メッキである請求項１から５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに収光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部の表面積を大きくするための凹凸を設けた半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記筐体がレーザ出射部を保持する筐体本体と蓋部で構成され、前記蓋部に表面積を大きくするための凹凸を設けた請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記筐体内部より筐体外部へレーザ光を導光する光ファイバを保持するファイバガイド部を設け、前記ファイバガイドに表面積を大きくするための凹凸を設けた請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記表面積を大きくするための凹凸をブラスト加工により設けた請求項８から１０に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに収光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部の表面積を大きくするための凹凸を設けた請求項１から７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記筐体がレーザ出射部を保持する筐体本体と蓋部で構成され、前記蓋部に表面積を大きくするための凹凸を設けた請求項１から８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記筐体内部より筐体外部へレーザ光を導光する光ファイバを保持するファイバガイド部を設け、前記ファイバガイドに表面積を大きくするための凹凸を設けた請求項１から８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記表面積を大きくするための凹凸をブラスト加工により設けた請求項１から１０に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに集光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部に光および輻射熱を透過する材料を設けた半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記筐体がレーザ出射部を保持する筐体本体と蓋部で構成され、前記蓋部に光および輻射熱を透過する材料を設けた請求項１６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記筐体内部より筐体外部へレーザ光を導光する光ファイバを保持するファイバガイド部を設け、前記ファイバガイドに光および輻射熱を透過する材料を設けた請求項１６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
前記光および輻射熱を透過する材料が４００ナノメータから２５００ナノメータの可視光から近赤外光までの透過特性を有する請求項１６から１８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２０】
前記光および輻射熱を透過する材料が８００ナノメータから１１００ナノメータの近赤外光で透過特性を有する請求項１６から１９に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２１】
前記光および輻射熱を透過する材料がシリコンである請求項１６から１８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２２】
前記光および輻射熱を透過する材料がゲルマニウムである請求項１６から１８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２３】
前記光および輻射熱を透過する材料に反射防止膜を施した請求項１６から２２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２４】
前記光および輻射熱を透過する材料に４００ナノメータから２５００ナノメータの可視光から近赤外光までの透過特性を有する反射防止膜を施した請求項１６から２２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２５】
前記光および輻射熱を透過する材料が８００ナノメータから１１００ナノメータの近赤外光で透過特性を有する反射防止膜を施した請求項１６から２２に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に光ファイバと光学的に結合される半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気入力に対するレーザ発振出力の変換効率の高さから半導体レーザ装置を固体レーザの励起光として、あるいは直接加工光源として利用するニーズが高まっている。
【０００３】
また、半導体レーザ装置メーカからは、複数のエミッタ（発光部）を一次元状に配置した半導体レーザバーが商品化されており、これらエミッタから出射されるレーザ光を励起光あるいは加工用として使用しやすいように光ファイバに結合する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
図５は上記従来の半導体レーザ装置を示しており、１０１はレーザ光を出射する半導体レーザ素子、１０２は前記半導体レーザ素子１０１を冷却するヒートシンク、１０３は前記ヒートシンク１０２に対して電気的絶縁を図った上で固定設置された金属板である。
【０００５】
また、１０４は前記半導体レーザ素子１０１と前記金属板１０３にボンディングされた金属ワイヤ、１０５は略箱形のパッケージ、１０６は前記パッケージ１０５内部に電力を供給するための電極板である。
【０００６】
さらに、１０７は前記パッケージ１０５と電極板１０６を電気的に絶縁するための絶縁部材、１０８は前記金属板１０３と前記電極板１０６とを接続する金属部材、１０９は前記半導体レーザ素子１０１から出射されたレーザ光をコリメートするためのロッドレンズ、１１０は前記ロッドレンズ１０９を保持するためのレンズ固定台である。
【０００７】
また、１１１は前記ロッドレンズ１０９によりコリメートされたレーザ光を前記パッケージ１０５の外に導光するための光ファイバを束ねたファイバアレイ、１１２は前記パッケージ１０５外部にレーザ光を導光するための光ファイバ、１１３は前記パッケージ１０５内部より外部へレーザ光を導光する前記光ファイバ１１２を保持するファイバガイドである。
【０００８】
さらに、１１４は前記パッケージ１０５を封止するための蓋、１１５は前記パッケージ１０５と前記蓋１１４を気密封止するためのシール部材、１１６は前記光ファイバ１１２を前記ファイバガイド１１３に固定しかつ前記パッケージ１０５内部を気密封止するためのシール材である。
【０００９】
以上のように構成された半導体レーザモジュールについてその動作を説明する。
【００１０】
電源装置の供給する電気入力は、パッケージ１０５からヒートシンク１０２を通り、半導体レーザ素子１０１のアノード側に、また電極板１０６から金属部材１０８、金属板１０３、金属ワイヤ１０４を通り、半導体レーザ素子１０１のカソード側に供給されることにより、半導体レーザ素子１０１がレーザ光を出射する。
【００１１】
レーザ光はロッドレンズ１０９によりコリメートされ、ファイバアレイ１１１に入射し、光ファイバ１１２を通してパッケージ１０５の外に導光され、固体レーザの励起光や直接加工光源として利用される。
【００１２】
半導体レーザ素子１０１に電力が供給されるとレーザ発振するとともに発熱する。
【００１３】
またレーザ光やその散乱光および発熱部である半導体レーザ素子１０１等からの輻射熱によりパッケージ１０５内部は加熱する。
【００１４】
そこで、パッケージ１０５の底面を、冷却媒体あるいはペルチェ素子等により冷却することにより、ヒートシンク１０２、半導体レーザ素子１０１およびパッケージ１０５内部を冷却し、温度上昇を防止することが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平５−９３８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子が高出力化するに伴い冷却能力が不足し、半導体レーザ素子の温度上昇による信頼性の低下、パッケージ内部の温度変化上昇に伴うロッドレンズの位置変動によるビーム品質の劣化等の課題を有していた。
【００１７】
本発明は、これらの課題を解決する半導体レーザ装置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】
【００１８】
上記目的を達成するために本発明の半導体レーザ装置は、レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに集光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部に光および輻射熱を吸収する層を設けたものである。
【００１９】
あるいは、レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに収光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部の表面積を大きくするための凹凸を設けたものである。
【００２０】
あるいは、レーザ出射部と、レーザ光を導光する光ファイバと、前記レーザ出射部より出射されたレーザ光を前記光ファイバに集光する光学系を筐体内に備え、少なくとも前記筐体の内壁の一部に光および輻射熱を透過する材料を設けたものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上のごとく構成された本発明の半導体レーザ装置は、筐体の内壁にレーザ光および輻射熱を吸収する層を設けることで筐体内部の熱を効果的に外部に放熱することができ、その結果として筐体内部の温度上昇を抑制することができる。
【００２２】
あるいは、筐体の内壁の表面積を大きくするための凹凸を設けることで筐体内部の熱を効果的に外部に放熱することができ、その結果として筐体内部の温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
あるいは、筐体の構成部品にレーザ光および輻射熱を透過する材料を用いることで筐体内部の熱を効果的に外部に放熱することができ、その結果として筐体内部の温度上昇を抑制することができる。
【００２４】
これにより、半導体レーザ装置としての信頼性や品質を確保できるとともに、より高出力の半導体レーザ素子を搭載することが可能となり、またそれにともなって半導体レーザ装置を高出力化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の半導体レーザ装置の実施の形態１の構成を示す断面図
【図２】本発明の半導体レーザ装置の実施の形態２の構成を示す断面図
【図３】本発明の半導体レーザ装置の実施の形態３の構成を示す断面図
【図４】本発明の半導体レーザ装置の実施例１の効果を示すグラフ
【図５】従来の半導体レーザ装置を示す一部切欠斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態１）
図１において、１はレーザ光を出射する半導体レーザ素子、２は前記半導体レーザ素子１を冷却するヒートシンクで、３は前記ヒートシンク２上に電気的絶縁状態で固定設置された金属板である。なお、この実施形態では、半導体レーザ素子１をヒートシンク２の上面に直接取り付けているが、この両者間に導電性と、熱伝導性を兼ね備えた板を介在させ、半導体レーザ素子１をヒートシンク２の上面に間接的に取り付けても良い。
【００２７】
また、４は前記半導体レーザ素子１と前記金属板３にボンディングされた金属ワイヤである。
【００２８】
さらに、５は筐体の一例として用いた略箱形のパッケージで、底面と、外周側面を有し、上面は開口状態となっている。なお、この実施の形態では、パッケージ５の底面と外周側面を一体的な構造としているが、この両者間に気密性を確保するための部材を介在させ、底面と外周側面を分離できる構造であっても良い。
【００２９】
次に、６は前記パッケージ５内部に電力を供給するための電極板、７は前記パッケージ５と電極板６を電気的に絶縁するための絶縁部材、８は前記金属板３と前記電極板６とを接続する金属部材である。
【００３０】
さらに、９は前記半導体レーザ素子１から出射されたレーザ光、１０は前記レーザ光９をコリメートするためのロッドレンズ、１１は前記ロッドレンズ１０によりコリメートされたレーザ光を前記パッケージ５の外に導光するための光ファイバを束ねたファイバアレイ、１２は前記パッケージ５外部にレーザ光を導光するための光ファイバ、１３は前記光ファイバ１２を保持するファイバガイドである。
【００３１】
また、１４は前記パッケージ５の上面開口部を封止するための蓋、１５は前記パッケージ５と前記蓋１４間を気密封止するためのシール部材である。
【００３２】
つまり、パッケージ５の上面開口部外周縁にシール部材１５を装着し、その状態でシール部材１５の上面を押しつぶしながら、パッケージ５の上面開口部に蓋１４を装着すれば、パッケージ５と蓋１４により構成された筐体内の気密が図れるものである。
【００３３】
次に、１６は前記ファイバガイド１３と前記光ファイバ１２を気密封止するためのシール材で、これもパッケージ５内の気密保持を図るものである。
【００３４】
なお、この実施の形態では、パッケージ５と電極板６および絶縁部材７、そしてパッケージ５とファイバガイド１３間にシール材等は記載されていないが気密封止構造となっている。
【００３５】
１７は前記半導体レーザ素子１から発せられる輻射熱、斜線部１８は前記パッケージ５、ファイバガイド１３および蓋１４の内壁に施されたレーザ光および輻射熱吸収層である。
【００３６】
以上のように構成された半導体レーザモジュールについて、その動作を説明する。
【００３７】
電源装置の供給する電気入力は、パッケージ５からヒートシンク２を通り、半導体レーザ素子１のアノード側に、また電極板６から金属部材８、金属板３、金属ワイヤ４を通り、半導体レーザ素子１のカソード側に供給され、これにより、半導体レーザ素子１がレーザ光９を出射する。
【００３８】
レーザ光９はロッドレンズ１０によりコリメートされ、ファイバアレイ１１に入射し、光ファイバ１２を通してパッケージ５の外に導光され、固体レーザの励起光や直接加工光源として利用される。
【００３９】
しかし光ファイバ１２に入射しきれないレーザ光９は漏れ光としてパッケージ５内部に留まり、パッケージ５内部の部材を加熱したり、半導体レーザ素子１に電力が供給されると、レーザ発振するとともに、半導体レーザ素子１自体も発熱し輻射熱１７も発生する。
【００４０】
半導体レーザ素子１は温度が上昇するほど、レーザ発振効率が低下したり、寿命が短くなったりする。また半導体レーザモジュール内部の温度が上昇すると熱膨張によりロッドレンズ１０およびファイバアレイ１１の調芯位置が移動し、光ファイバ１２を通して半導体レーザモジュール外部に導光されるレーザ光も減少する。そして半導体レーザモジュール外部に導光されるレーザ光が減少することにより、パッケージ５内部に留まるレーザ光が増加することになり、それがパッケージ５内部の温度を更に上昇させることになる。
【００４１】
また、半導体レーザ素子１を高出力化すると、それにともない電気入力も増大するため前記発熱量および輻射熱１７は増大することになる。
【００４２】
そこで、本実施形態１では、パッケージ５内部に留まるレーザ光９の漏れ光や加熱された物体から放射される輻射熱をパッケージ５内部に留めないため、パッケージ５内壁にレーザ光および輻射熱吸収層１８を設けることにより、速やかに熱を吸収しパッケージ５外部に放熱することにより、パッケージ５内部の温度上昇を抑制する構成としたものである。
【００４３】
なおパッケージ内壁に設けるレーザ光および輻射熱吸収層１８はパッケージ内壁の一部分でもかまわず、例えばファイバガイド１３の内壁部や蓋１４の内壁部のみであってもよい。
【００４４】
なおパッケージ内壁に設けるレーザ光および輻射熱吸収層１８は、例えば黒アルマイトや、黒色金属メッキのように、できるだけ薄くて、熱伝導率が大きい材料を用いる方がパッケージ５外部に熱を伝えるための熱抵抗が小さくなるためパッケージ内部の温度をより低減することができる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態１によれば、パッケージ５内部の漏れ光や輻射熱はレーザ光および輻射熱吸収層１８に吸収され、パッケージ５外部に放熱されるので、パッケージ５内部の温度上昇を抑制することができるので、信頼性や品質が確保され、かつより高出力な半導体レーザ装置とすることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
本実施の形態２において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細を簡略化する。
【００４７】
図２において、２０は内壁部に凹凸を設けた略箱形パッケージ、２１はパッケージ内壁部に凹凸を設けたファイバガイド、２２は内壁部に凹凸を設けた蓋である。
【００４８】
本実施の形態２においてはパッケージ内壁に凹凸を設けることにより内壁の表面積が増大し、よりレーザ光の漏れ光や発熱体からの輻射熱が吸収されやすくなる。
【００４９】
なおモジュール内壁に設ける凹凸はモジュール内壁の一部分でもかまわず、例えばファイバガイド２１の内壁部や蓋２２の内壁部のみであってもよい。
【００５０】
なお、凹凸内壁に実施の形態１のようにレーザ光および輻射熱吸収層を設けることでより吸熱効果を増大させることができる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態２によれば、パッケージ２０内部の漏れ光や輻射熱は内壁凹凸部に吸収されるので、パッケージ２０内部の温度上昇を抑制することができるとともに、実施の形態１に示すように凹凸内壁部にレーザ光および輻射熱吸収層を設けることでより大きな温度低減効果を得ることができ、信頼性や品質が確保され、かつより高出力な半導体レーザ装置とすることができる。
【００５２】
（実施の形態３）
本実施の形態３において、実施の形態１および２と同様の箇所については同一の符号を付して詳細を簡略化する。
【００５３】
図３において、斜線部３０はパッケージ５、ファイバガイド１３および蓋１４の内壁に施されたレーザ光および輻射熱に対する反射防止膜（ＡＲコート）、斜線部３１はパッケージ５、ファイバガイド１３および蓋１４の外壁に施されたレーザ光および輻射熱に対する反射防止膜である。
【００５４】
本実施の形態３が実施の形態１および２と異なる点は、半導体レーザ装置を構成するパッケージ５、ファイバガイド１３および蓋１４にレーザ光および輻射熱を透過する部材を使用することである。
【００５５】
以下、本実施の形態３の特徴点について、説明する。
【００５６】
図１で示した実施の形態１に示すような構成を用いる場合、レーザ光９の漏れ光や半導体レーザ素子１からの輻射熱１７等の発熱体からの輻射熱はパッケージ５やファイバガイド１３や蓋１４により吸収されるが、それを吸収することにより、パッケージ５やファイバガイド１３や蓋１４自身が加熱される。しかし、本実施の形態３に示すようにレーザ光および輻射熱を透過する部材を用いれば、パッケージ５内部に熱が留まることなく、かつレーザ光および輻射熱が透過するため、パッケージ５、ファイバガイド１３および蓋１４自身も加熱されることがなく、よりパッケージ５内部の温度を低減させることができる。
【００５７】
また、図３に示すようにパッケージ５内部および外部に反射防止膜を施すことでフレネル反射を防止できるため、より透過率を向上させることができる。
【００５８】
なおレーザ光および輻射熱を透過する部材を用いるのは半導体レーザモジュール構成部品の一部分でもかまわず、例えばファイバガイド１３の内壁部や蓋１４のみであってもよい。
【００５９】
なおレーザ光および輻射熱を透過する部材は、例えばシリコンやゲルマニウムのように、熱伝導率の大きい材料を用いる方が、半導体レーザ素子１の発熱等と外部に排熱しやすくなるためパッケージ５内部の温度をより低減することができる。
【００６０】
なお図３ではパッケージ内壁および外壁に反射防止膜３０および３１を施しているが、どちらか片面に施すか、あるいは反射防止膜を施さなくても、ある程度の効果は期待できるとともに、部材のコストを安くすることができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態３によれば、パッケージ５内部の漏れ光や輻射熱は透過部材を通って外部に排出されるので、パッケージ５内部の温度上昇を抑制することができるので、信頼性や品質が確保され、かつより高出力な半導体レーザ装置とすることができる。
【実施例１】
【００６２】
図４は横軸に半導体レーザ素子１への注入電流、縦軸にファイバアレイ１１の温度を示したものである。図４の実線（ａ）はファイバガイド１３がない場合、点線（ｂ）はファイバガイド１３に黒色層を設けていない場合（アルミニウム生地）、一点鎖線（ｃ）はファイバガイド１３に黒色層を設けた場合（アルミニウムに黒アルマイト処理）である。
【００６３】
図４よりパッケージ５内部の気密状態を模した状態を再現するためにファイバガイド１３を設けるとファイバアレイ１１の温度は上昇するが、黒色層を設けると温度上昇を低減させることができることが分かる。これは黒色層を設けない場合、光ファイバ１２に導光されなかった漏れ光がパッケージ５内部に戻りファイバアレイ１１を加熱するのに対し、黒色層を設けると漏れ光が黒色層に吸収されパッケージ５外部に放熱されるためであると考えられる。
【００６４】
またファイバガイド１３を設けない場合が最もファイバアレイ１１の温度上昇が低いのは、レーザ光９の漏れ光がパッケージ外部に透過するため、漏れ光により加熱される物体そのものが存在しないためであると考えられる。
【００６５】
よって本実施の形態１から３はパッケージ内部の温度上昇を抑制する効果があるといえる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の半導体レーザ装置は、筐体内部のレーザの漏れ光や発熱体からの輻射熱を筐体外部に排熱する構造を備えているため、信頼性や品質を確保できるとともに、より高出力の半導体レーザ素子を搭載することが可能であり、半導体レーザ光を直接加工に使用するレーザ装置や半導体レーザ光を励起光とするレーザ装置などに有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１    半導体レーザ素子
２    ヒートシンク
３    金属板
４    金属ワイヤ
５，２０    パッケージ
６    電極板
７    絶縁部材
８    金属部材
９    レーザ光
１０    ロッドレンズ
１１    ファイバアレイ
１２    光ファイバ
１３，２１    ファイバガイド
１４，２２    蓋
１５    シール部材
１６    シール材
１７    輻射熱
１８    レーザ光および輻射熱吸収層
３０，３１    レーザ光および輻射熱に対する反射防止膜
１０１    半導体レーザ素子
１０２    ヒートシンク
１０３    金属板
１０４    金属ワイヤ
１０５    パッケージ
１０６    電極板
１０７    絶縁部材
１０８    金属部材
１０９    ロッドレンズ
１１０    レンズ固定台
１１１    ファイバアレイ
１１２    光ファイバ
１１３    ファイバガイド
１１４    蓋
１１５    シール部材
１１６    シール材
【図１】
2012248668.tif 000003
【図２】
2012248668.tif 000004
【図３】
2012248668.tif 000005
【図４】
2012248668.tif 000006
【図５】
2012248668.tif 000007