(57)【要約】【課題】発光特性の劣化を抑制可能な半導体レーザ装置を目的とする。【解決手段】  半導体レーザバー２を、液体冷却式のヒートシンク１に取り付ける。半導体レーザモジュール２の取り付け面とは反対側の面には、モリブデン補強体３が固定されている。モリブデンは、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有している。サブマウントは、Ｃｕ−Ｗ合金を用いることが好ましく、補強体３モリブデンを用いることが好ましい。この場合、伸縮時においてヒートシンク１に与える応力を相殺することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線上に配列された複数の発光点を有する半導体レーザバーと、
内部に流体通路が形成された厚みが3ｍｍ以下の板状の液体冷却式のヒートシンクと、
前記半導体レーザバーの一方面に固定され前記ヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなり前記ヒートシンクに固定された第１サブマウントと、
前記半導体レーザバーの他方面に固定され前記ヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなる第２サブマウントと、
前記ヒートシンクにおける前記第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、前記第１サブマウントに対向する位置に、固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが0.1〜0.5ｍｍのモリブデン補強体と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンクを備えた半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザ装置は、例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【０００３】
特許文献１には、半導体レーザバーの両面を金属製のサブマウントで挟んだ半導体レーザモジュールが開示されている。サブマウントの材料としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いることができる。各サブマウントの厚みは、５０〜２００μｍである。この半導体レーザ装置においては、半導体レーザモジュールは、液体冷却式ヒートシンクに取り付けられている。これにより、半導体レーザバーの反りを矯正することが可能である。
【０００４】
特許文献２には、ヒートシンクの上に半導体レーザバーを取り付けると共に、ヒートシンクにおける半導体レーザバーの取り付け面と同一の面上に、線膨張係数の小さな材料からなる補強部材を貼り付けた半導体レーザ装置が開示されている。補強部材の材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＢｉのいずれかを含んでいる。
【０００５】
特許文献３には、液体冷却式ヒートシンクを樹脂層で被覆し、半導体レーザバーを取り付けた半導体レーザ装置が開示されている。この文献では、冷却効率を高めると共に、腐食や水漏れを防止可能な構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７３５４９号公報
【特許文献２】特開２００７−７３５４９号公報
【特許文献３】特許第４００２２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、半導体レーザモジュールと高品質な液体冷却式ヒートシンクを組み合わせた場合、半導体レーザモジュール自体の反りは、サブマウントにより抑制されているはずなのに、半導体レーザモジュールからの発光点位置が、設計上の直線上から微妙に変位した曲線上に並び、目的の発光分布が得られなくなるという発光特性の劣化現象が観察された。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光特性の劣化を抑制可能な半導体レーザ装置を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者らは、半導体レーザ装置の特性劣化の原因を鋭意検討した。線膨張係数の小さなＣｕ−Ｗ合金を一対のサブマウントとして採用し、これらを用いて半導体レーザバーを挟持しているはずであるから、発光点位置は原則的に変更されないはずである。しかしながら、近年の高品質な液体冷却型ヒートシンクは、冷却効率が高く、且つ、小型化されているが、厚みが薄いために、これ自体が伸縮する際に厚み方向にも撓むことができる。この場合、本来は剛性の高いはずのレーザモジュールと、高品質ヒートシンクの線膨張係数の差から、両者の間に応力が発生し、ヒートシンクが厚み方向に撓んで変形する。本願発明者らは、発光点位置のずれが、かかる高性能なヒートシンクに起因して生じていることを発見した。
【００１０】
上述の問題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、直線上に配列された複数の発光点を有する半導体レーザバーと、内部に流体通路が形成された厚みが3ｍｍ以下の板状の液体冷却式のヒートシンクと、半導体レーザバーの一方面に固定されヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなりヒートシンクに固定された第１サブマウントと、半導体レーザバーの他方面に固定されヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなる第２サブマウントと、前記ヒートシンクにおける前記第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、前記第１サブマウントに対向する位置に、固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが0.1〜0.5ｍｍのモリブデン補強体と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体レーザによれば、液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、上述のように、厚みが薄い場合には、レーザモジュール（半導体レーザバー＋サブマウント）との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。しかしながら、レーザモジュールとは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体を固定することで、ヒートシンクに対して、レーザモジュール側からの応力によって湾曲しようとする力と、モリブデン補強体側からの応力によって湾曲しようとする力とか相殺される傾向となる。また、モリブデン補強体をヒートシンクに取り付けることで、全体の剛性も向上する。したがって、本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
なお、モリブデン補強体とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置によれば、発光特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】半導体レーザ装置の斜視図である。
【図２】半導体レーザ装置を矢印ＩＩ方向から見た側面図である。
【図３】半導体レーザ装置を矢印ＩＩＩ方向から見た正面図である。
【図４】半導体レーザ装置の分解斜視図である。
【図５】半導体レーザバーの斜視図である。
【図６】液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。
【図７】ヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザ装置の正面図である。
【図８】比較例となる半導体レーザ装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、半導体レーザ装置の斜視図、図２は、半導体レーザ装置を矢印ＩＩ方向から見た側面図、図３は半導体レーザ装置を矢印ＩＩＩ方向から見た正面図である。
【００１７】
この半導体レーザ装置１０は、ヒートシンク１と、ヒートシンク１に固定されたレーザモジュール２と、ヒートシンク１におけるレーザモジュール２に対向する位置に固定された補強体３とを備えており、必要に応じて、ヒートシンク１の上面に接着層を介して被覆部材を備えることができる。このような被覆部材は、内部に水等の冷却媒体を導入する場合のシール材としての機能も有している。必要に応じて開口１ｃ２,1ｃ３の周囲にＯリングなどを配置する。
【００１８】
ヒートシンク１は、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクである。また、ヒートシンク１の厚みＺ１は3ｍｍ以下であるため、単体では、厚み方向に湾曲することを許容している。ヒートシンク１の詳細構造は、後述の図６に示されている。
【００１９】
レーザモジュール２は、第１サブマウント２ａと、第２サブマウント２ｃとの間に、半導体レーザバー２ｂを挟んでいる。第１サブマウント２ａは、接着層ｔ１を介して、ヒートシンク１の上面に固定されており、且つ、接着層ｔ２を介して、半導体レーザバー２ｂに固定されている。また、半導体レーザバー２は、接着層ｔ３を介して、第２サブマウント２ｃに固定されている。すなわち、半導体レーザバー２ｂの一方面には第１サブマウント２ａが固着され、半導体レーザバー２ｂの他方面には第２サブマウント２ｃが固着されている。なお、それぞれのサブマウント２ｂ，２ｃを構成する材料の線膨張係数（熱膨張係数）は、ヒートシンク１の線膨張係数よりも小さく、又は、形状は板状（直方体）である。
【００２０】
サブマウント２ａ，２ｃの構成材料としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いることができ、各サブマウントの厚みは、５０〜２００μｍとすることができる。
【００２１】
補強体３は、板状のモリブデン（Ｍｏ）からなり、ヒートシンク１における第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、第１サブマウント２ａに対向する位置に、接着層ｔ５を介して、固定されている。補強体３の構成材料は、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有しており、また、サブマウントと異なり、厚みが0.1〜0.5ｍｍの範囲にある。なお、モリブデン補強体３とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
【００２２】
ここで、サブマウントは、Ｃｕ−Ｗ合金を用いることが好ましく、補強体３モリブデンを用いることが好ましい。その理由としては、１つには、伸縮時においてヒートシンク１に与える応力を相殺する効果があることであるが、その他に、以下の効果があるからである。すなわち、Ｃｕ−Ｗ合金は熱伝導がよく、また半導体レーザバーと膨張率が近いため、半導体レーザバーのサブマウントとしては好都合である。また、サブマウントには、電極としての要素も必要なため、電気的導通を行わせるたにも、これは金属材料から構成される。
【００２３】
ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、発光点の整列方向をＹ軸（レーザバーの長手方向）とし、レーザバー２ｂの厚み方向をＺ軸とし、レーザ光の出射方向がＸ軸に平行であるとすると、各構成要素の例示寸法（好適範囲）は、以下の通りである。
（１）ヒートシンク１の寸法
Ｘ方向長Ｘ１：30ｍｍ(10ｍｍ〜30ｍｍ)
Ｙ方向長Ｙ１（本例では＝Ｙ３）：12ｍｍ(10ｍｍ〜12ｍｍ)
Ｚ方向長Ｚ１：１．１ｍｍ(1ｍｍ〜3ｍｍ)
（２）半導体レーザモジュール２の寸法
Ｘ方向長Ｘ２：2ｍｍ(1ｍｍ〜5ｍｍ)
Ｙ方向長Ｙ２（本例では＝Ｙ３）：10ｍｍ(5ｍｍ〜12ｍｍ)
Ｚ方向長Ｚ２：４５０μｍ(300μｍ〜600μｍ)
サブマウント２ａの厚みＺ３ａ：150μｍ(100μｍ〜300μｍ)
サブマウント２ａのＸ方向長＝Ｘ２
サブマウント２ａのＹ方向長＝Ｙ２（＝Ｙ３）
サブマウント２ｃの厚みＺ３ｃ：150μｍ(100μｍ〜300μｍ)
サブマウント２ｃのＸ方向長＝Ｘ２
サブマウント２ｃのＹ方向長＝Ｙ２（＝Ｙ３）
半導体レーザバー２ｂの厚みＺ３ｃ：140μｍ(100μｍ〜150μｍ)
半導体レーザバー２ｂのＸ方向長Ｘ２ｂ：2ｍｍ(1ｍｍ〜5ｍｍ)
【００２４】
なお、本例では、Ｘ２ｂ＜Ｘ２である。これはサブマウントに電力供給線を取り付けるための領域を確保するためである。
半導体レーザバー２ｂのＹ方向長Ｙ２ｂ＝Ｙ２（＝Ｙ３）
（３）補強体３の寸法
Ｘ方向長Ｘ３：2ｍｍ(1ｍｍ〜5ｍｍ)
Ｙ方向長Ｙ３：10ｍｍ(5ｍｍ〜12ｍｍ)
Ｚ方向長Ｚ３：１５０μｍ(100μｍ〜500μｍ)
【００２５】
なお、接着層ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５は、全て半田材料からなり、それぞれ厚みＺｔを有する。接着層としてはＳｎＡｇＣｕ又はAuSnを用いることができるが、t2,t3ではAuSnを用い、t1,t5ではSnAgCuを用いることができる。厚みＺｔの例示寸法は１０μｍであり、好適範囲は3〜20μｍである。上述の数値範囲の効果について、説明すると、数値範囲が3〜20μｍの場合には、ハンダがはみ出さず、全体に行渡り、均一に接合できるという効果がある。
【００２６】
ここで、液体冷却式のヒートシンク１、第１サブマウント２ａ、半導体レーザバー２ｂ、第２サブマウント２ｃ、及びモリブデン補強体３の物理量は、半導体レーザバーの湾曲がほぼ無くなるように調整する。
【００２７】
図４は、半導体レーザ装置の分解斜視図である。
【００２８】
ヒートシンク１は、冷却媒体を導入するための開口（貫通孔）１ｃ２，１ｃ３を有しているが、これはヒートシンク1上に設けることが可能な被覆部材の開口（貫通孔）に連通していてもよい。被覆部材は必要に応じて設けられるものであり、冷却媒体に対するシール機能や、外部装置に組み込む場合のスペーサとしても機能させることができる。
【００２９】
ヒートシンク１の上面側に、レーザモジュール２を、接着層を介して配置し、裏面側に、補強体３を接着層を介して配置した後に、これらにＺ軸方向に沿った熱と圧力を同時にかけ、しかる後、室温まで冷却することで、これらを固定する。接着層が溶ける程度の温度でよい。必要に応じて、適当な被覆部材を、接着層を介して、ヒートシンク１の上面上に配置し、これに同様の熱と圧力をかけて、固定する。
【００３０】
図５は、半導体レーザバーの斜視図である。
【００３１】
レーザバー２ｂは、Ｙ軸の直線上に沿って配列された複数の発光点２ｂ２を有している。レーザバー２ｂは化合物半導体基板２ｂ１からなるものであり、発光点２ｂ２の位置には、活性層が存在しており、その両側には、クラッド層が位置している。化合物半導体の材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ或いはこれらにＩｎを含んだ混晶が知られている。本例では、レーザバー２ｂは、ＧａＡｓを主成分とし、活性層には更にInが含まれ、その両側に位置するクラッド層にはＡｌが更に含まれているものとする。なお、ＧａＡｓとＣｕ−Ｗ合金は、熱膨張係数が近いので、サブマウント／レーザバー間の応力は小さい。
【００３２】
ここで、高性能な液体冷却式のヒートシンク１について説明しておく。
【００３３】
図６は、液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。
【００３４】
ヒートシンク１は、３枚の金属製（本例ではＣｕ）の板状部材１ａ１，１ｂ１、１ｃ１を積層して固定してなる。
【００３５】
最下部の板状部材１ａ１は、２つの開口（貫通孔）１ａ２，１ａ３と、上側の板状部材１ｂ１の下面と共に流体流路を構成する凹部１ａ４を有している。凹部１ａ４は、開口１ａ３に連続している。
【００３６】
中央の板状部材１ｂ１は、２つの開口（貫通孔）１ｂ２，１ｂ３と、流体流路を構成する複数の貫通孔１ｂ４を有している。貫通孔１ｂ４は、凹部１ａ４に対向する位置に、位置している。
【００３７】
上部の板状部材１ｃ１は、２つの開口（貫通孔）１ｃ２，１ｃ３と、下側の板状部材１ｂ１の上面と共に流体流路を構成する凹部１ｃ４を有している。凹部１ｃ４は、開口１ｃ２に連続しており、開口１ｃ３には連続していない。
【００３８】
冷却媒体が下方から上方に向かう矢印Ｗ１に沿ってヒートシンク１内に導入されると、これは、連通した開口群１ａ３、１ｂ３、１ｃ３を通って、上部に抜けることもできるし、矢印Ｗ２で示されるように、凹部１ａ４、貫通孔１ｂ４、凹部１ｃ４で規定される流体流路を通って、開口１ｃ２に至ることもできる。開口１ｃ２から矢印Ｗ３に沿ってヒートシンク１内に導入された冷却媒体は、連通した開口群１ｃ２、１ｂ２、１ａ２を通って、下方に抜けることもできる。なお、板状部材は、Ｃｕなどの金属からなるが、その表面は、樹脂層により被覆されており、腐食が防止されている。
【００３９】
図７は、ヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザ装置の正面図である。
【００４０】
上述の説明では、ヒートシンク１のＹ方向長Ｙ１は、補強体３のＹ方向長Ｙ３に一致していたが、これは同図に示すように、Ｙ３よりも大きくてもよい。また、ヒートシンク１のＸ方向長を上記実施形態のものよりも大きくしてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様の効果がある。
【００４１】
図８は、比較例となる半導体レーザ装置の正面図である。
【００４２】
比較例では、図３に示した実施形態の半導体レーザ装置において、補強体３の取り付け位置を、ヒートシンク１の上面の両側に変更して補強体３Ｚとしたものである。比較例におけるその他の構造は、図３に示したものと同一である。
【００４３】
上述の水冷ヒートシンクなどの液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、厚みが薄い場合には、レーザモジュール２との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。
【００４４】
比較例の場合、ヒートシンク１の冷却時において、矢印Ｆ１方向に縮小する力が働くが、半導体レーザモジュール２は、線膨張係数がヒートシンク１よりも小さく、これには矢印Ｆ２方向に縮小する力働く。すなわち、線膨張係数の差により、上に凸に変形する傾向がある。もちろん、補強体３Ｚが固定されているため、ヒートシンク１の伸縮は、若干緩和されるが、全体的な変形は抑制することができない。
【００４５】
一方、図３に示した実施形態のように、レーザモジュール２とは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体３を固定することで、ヒートシンク１に対して、レーザモジュール２側からの応力（矢印Ｆ２に示される力）によって湾曲しようとする力と、補強体３側からの応力（矢印Ｆ３に示される力）によって湾曲しようとする力とか相殺される傾向となる。また、補強体３をヒートシンク１に取り付けることで、全体の剛性も向上している。したがって、実施形態の半導体レーザ装置１０によれば、ヒートシンク１の湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
【００４６】
また、上述の構造の場合、ヒートシンク１の変形が抑制されるので、ヒートシンク１からの水漏れを抑制することができる。また、レーザへの電力供給線（レーザ駆動時には、半導体レーザバーの上下サブマウント間に電力が供給される）をサブマウントに取り付けた場合、この供給線が外れるのを抑制することができる。また、レンズを半導体レーザ装置の前面に配置する場合、発光点位置がずれないので、高い精度の製品を製造することができる。上記例示した寸法で、半導体レーザ装置を作製した場合、再現性よくヒートシンク１の湾曲量を、1.5μm以下とすることができ、発光特性の劣化を抑制可能な半導体レーザ装置が作製できた。
【符号の説明】
【００４７】
１０・・・半導体レーザ装置、１・・・ヒートシンク、２・・・半導体レーザモジュール、３・・・モリブデン補強体。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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