(57)【要約】【課題】ＬＤアレイの長手方向に熱の散逸スペースを確保して高効率な廃熱を実現しつつ、複数のＬＤアレイからの放射光をＬＤアレイの長手方向に高密度に発生することのできレーザ装置を得る。【解決手段】複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃと、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃを接合したヒートシンク５とからなるＬＤモジュールを備えている。複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃの少なくとも一部のＬＤアレイ１ｂ、１ｃは、他のＬＤアレイ１ａに対して、光軸方向にずれた位置に配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＤアレイと、前記複数のＬＤアレイを接合したヒートシンクとからなるＬＤモジュールを備えたレーザ装置において、
前記複数のＬＤアレイの少なくとも一部は、他のＬＤアレイに対して、光軸方向にずれた位置に配置されたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記複数のＬＤアレイの各々の光出射面側に配置された複数の光学素子を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記複数の光学素子のうちの少なくとも１つは、導光板により構成されたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記導光板は、互いに光軸方向にずれて配置された複数の導光板を含み、
前記複数の導光板のうちの前段側の第１の導光板は、光出射側に配置された第２の導光板よりも薄い厚さを有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記複数の光学素子のうち、光出射側よりも前段側に位置する少なくとも１つの光学素子は、ＦＡＣにより構成されたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気入力により発光するＬＤ（半導体レーザ）モジュールを備えたレーザ装置に関し、特にＬＤモジュールの実装構造の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ装置のＬＤモジュールは、ロッド型のＮｄ：ＹＡＧなどを励起する際に、横一列に発光部を並べ、複数のＬＤ素子を並列に配置していた（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８９０２号公報（４頁７行〜５頁５０行、図１、２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ装置では、光軸に対して横方向にＬＤ素子を並列配置しているので、ＬＤアレイの光軸に対して垂直方向（ＬＤアレイの長手方向）に十分な熱放散領域がとれず、放熱効率が低くなるという課題があった。
また、放熱効率を高めるために、各ＬＤアレイの横方向に十分な間隔を開けて配置すると、ＬＤアレイの配列（長手）方向の光密度が低減するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、各ＬＤアレイの長手方向に熱の散逸スペースを確保して高効率な廃熱が可能であると同時に、複数のＬＤアレイからの光をＬＤアレイ長手方向に高密度に発生可能なレーザ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明によるレーザ装置は、複数のＬＤアレイと、複数のＬＤアレイを接合したヒートシンクとからなるＬＤモジュールを備えたレーザ装置において、複数のＬＤアレイの少なくとも一部は、他のＬＤアレイに対して、光軸方向にずれた位置に配置されたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ＬＤアレイの長手方向に熱放散スペースを確保しつつ、ＬＤアレイ長手方向に光密度の高いレーザ光を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザ装置のＬＤモジュールを概略的に示す斜視図であり、ＬＤモジュールを構成する１個のＬＤパッケージ６のみを示している。
図１において、ＬＤパッケージ６は、ＬＤアレイ１と、ＬＤアレイ１が載置されたサブマウント２と、ＬＤアレイ１を電気的に結線するワイヤ３と、ワイヤ３を介してＬＤアレイ１に接続された負電極４と、サブマウント２および負電極４が載置されたヒートシンク５とを備えている。
【０００９】
サブマウント２は、ヒートシンク５とＬＤアレイ１との間の線膨張係数の差によって加熱時にＬＤアレイ１に強い応力が印加されることを回避する目的で取り付けられている。
ワイヤ３は、ＬＤアレイ１の上面と負電極４との間を電気的に結線している。
負電極４は、ヒートシンク５に対して電気的に絶縁されており、ヒートシンク５は、正電極としての機能も兼ねている。
【００１０】
次に、図２の側面図を参照しながら、図１に示した１個のＬＤパッケージ６の構造および動作について具体的に説明する。
図２は図１のＬＤアレイ１の放熱状態を示している。図２において、ヒートシンク５は、冷媒ヒートシンク５０（内部に冷媒が流れている）上に載置されており、ＬＤアレイ１からの熱は破線矢印方向に放散される。
【００１１】
図１において、ＬＤアレイ１とサブマウント２は、正電極となるヒートシンク５に対してハンダによって接合されている。これにより、電流は、ＬＤアレイ１の下面から上面へ向かって流れ、ワイヤ３を通過して負電極４に流れる。
【００１２】
一般的に、ＬＤパッケージ６に供給された電気入力エネルギーのうちの約５０％は、ＬＤ光に変換されて出射される（図１内の矢印参照）。
一方、ＬＤ光に変換されなかった電気エネルギーは、熱に変換されて、そのほとんどがＬＤアレイ１の下面から、サブマウント２を介して、銅などで製造された金属製のヒートシンク５に伝導される。
【００１３】
図２はヒートシンク５内での熱の流れを概略的に示しており、電気エネルギーから変換された熱は、まっすぐ下向きに流れるのではなく、図２内の破線矢印のように、ヒートシンク５内を広がりながら、放射状に下向きに伝達される。
【００１４】
図３は熱伝導の様子を分かりやすく示した側面図であり、一例として、ＬＤパッケージ６’内において、ＬＤアレイ１の長手方向に対するヒートシンク５’の幅が図２よりも狭い場合の放熱状態を示している。
図３のように、ＬＤアレイ１の長手方向に対するヒートシンク５の幅が小さい場合には、ＬＤアレイ１から冷媒ヒートシンク５０までの熱抵抗が大きくなる。
【００１５】
図４はこの発明の実施の形態１に係るレーザ装置を示す斜視図であり、複数のＬＤパッケージ６ａ〜６ｃと、導光板７ａ、７ｂとを備えた構成を示している。
図４において、導光板７ａ、７ｂは、複数のＬＤパッケージ６ａ、６ｂ、６ｃの一端面に、各ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの光出射面側に位置するように配置されている。
【００１６】
図４において、光出射側に位置するＬＤアレイ１ｂ、１ｃは、前段側（光出射源側）に位置するＬＤアレイ１ａに対して、光軸方向に対してずれた位置に配置されている。また、光出射（後段）側のＬＤアレイ１ｂ、１ｃは、ＬＤアレイ１ａの幅と一致する距離だけ互いに離間配置されている。
したがって、各ＬＤアレイ１ａ〜１ｃは、それぞれ、側面方向に十分な空間を確保して廃熱効率を確保することができる。また、各ＬＤアレイ１ａ〜１ｃから発生するレーザビームは、導光板７ａおよび光出射側の導光板７ｂで合成されるので高密度で出射される。
【００１７】
この場合、光出射側のＬＤパッケージ６ｂ、６ｃの各ＬＤアレイ１ｂ、１ｃから発生したＬＤ光は、導光板７ｂに入射し、導光板７ｂと大気との屈折率の違いによる閉じ込め効果によって、導光板７ｂの内部を上下面で全反射しながら通過し、矢印のように出射される。
【００１８】
一方、最上段側のＬＤパッケージ６ａのＬＤアレイ１ａから発生したＬＤ光は、導光板７ａを通過した後、導光板７ｂに入射し、ＬＤパッケージ６ｂ、６ｃからのＬＤ光と同様に導光板７ｂの前面から矢印のように出射される。
【００１９】
なお、図４では図示を省略するが、前述（図２参照）と同様に、ＬＤパッケージ６ａ、６ｂ、６ｃの下部には、ヒートシンク５ａ〜５ｃ以外に、冷却水の流れる冷媒ヒートシンク５０が配置されており、ＬＤパッケージ６ａ、６ｂ、６ｃの各ヒートシンク５ａ〜５ｃの廃熱を行う構成となっている。また前述と同様に、電気的な配線が、それぞれの正電極（ヒートシンク５ａ〜５ｃ）および負電極４ａ〜４ｃに対して行われている。
【００２０】
図４のように構成されたレーザ装置においては、ＬＤアレイ１ａ〜１ｃから発生した熱を廃熱する観点から見れば、ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの光軸に対して垂直方向の両側に、熱伝導を行う領域を保ちつつ、かつ、光ビームの発生の観点から見れば、ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの長手方向に、高密度のビームを発生することが可能となる。すなわち、高い廃熱効率と、ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの長手方向に高密度のレーザビームを発生することが両立可能である。
【００２１】
なお、図４においては、３個のＬＤアレイ１ａ〜１ｃを設けた場合を示したが、ＬＤアレイ数は３個に限られることはなく、必要に応じて任意数のＬＤアレイを配置可能なことは言うまでもない。
【００２２】
図５は６個のＬＤパッケージ６Ａ〜６Ｆを用いた他の構成例を示す平面図である。
この場合、光出射側の各ＬＤパッケージ６Ｄ〜６Ｆから発生したレーザビームは、導光板７Ｄを通過して矢印のように出射される。また、前段側（光出射源側）の各ＬＤパッケージ６Ａ〜６Ｃから発生したレーザビームは、導光板７Ａ〜７Ｃを通過した後、後段側（光出射側）の導光板７Ｄを通過して矢印のように出射される。
【００２３】
また、上記説明では、各ＬＤパッケージ６、６ａ〜６ｃ、６Ａ〜６Ｆを完全な独立構造として、各ＬＤパッケージの下部に冷媒ヒートシンク５０（図２参照）を配置したが、たとえば、各ＬＤパッケージのヒートシンクの下部にフィンを設けて、各ＬＤパッケージが直接冷媒に接するように構成してもよい。また、各ＬＤパッケージのヒートシンク内に細かい水路やマイクロチャネルを設けて、各ＬＤパッケージ単体で冷却性能を発揮するようにしてもよい。
【００２４】
以上のように、この発明の実施の形態１（図４参照）によれば、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃと、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃを接合したヒートシンク５ａ〜５ｃとからなるＬＤモジュール（ＬＤパッケージ６ａ〜６ｃ）を備えたレーザ装置において、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃのうちの少なくとも一部（ＬＤアレイ１ｂ、１ａ）は、他のＬＤアレイ（ＬＤアレイ１ａ）に対して光軸方向にずれて配置されてので、各ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの長手方向に熱放散スペースを確保して高い廃熱効率を保持しつつ、各ＬＤアレイ１ａ〜１ｃの長手方向に光密度の高いレーザビームを発生することができる。
【００２５】
また、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃの各々の光出射面側に配置された複数の光学素子（導光板７ａ、７ｂ）を備え、特に後段側に配置されたＬＤアレイ１ｂ、１ｃの光出射面側に光学素子（導光板７ｂ）を配置したので、光の散逸を防いで、さらに高密度のーザ光を発生することができる。
また、光学素子として、少なくとも１つを導光板で構成したので、導光板材料と空気との屈折率の違いにより、光の散逸を確実に防ぐことができ、さらに光密度の高いレーザ光を発生させることができる。
【００２６】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図４）では、各導光板７ａ、７ｂを１枚の導光板で構成したが、図６に示すように、光軸方向にずれて配置された複数（たとえば、２枚）の導光板７１、７２で構成してもよい。
図６はこの発明の実施の形態２に係るレーザ装置を示す側面図であり、光軸の後段側の１個のＬＤパッケージ６のみに注目した場合の、ＬＤアレイ１の出射光（１点鎖線矢印）の導光状態を示している。
【００２７】
図６において、光軸方向に沿って直列配置された２枚の導光板７１、７２は、互いに厚さが異なり、前段側（光出射源側）の導光板７１の厚さｔ１は、後段側（光出射側）の導光板７２の厚さｔ２よりも薄く構成されている。
導光板７１、７２の厚みｔ１、ｔ２と、導光板７１の出射角度θと、導光板７１と導光板７２との間の距離ｄとの間には、以下の式（１）の関係が成り立つ。
【００２８】
ｄ×ｔａｎθ＜・・・＜（ｔ２−ｔ１）／２  ・・・（１）
【００２９】
さらに、導光板７１、７２は、式（１）を満たすとともに、十分な精度で配置されており、導光板７１を出射したレーザ光のほとんどが導光板７２に入射するように構成されているので、高効率にレーザ光を伝送することができる。
【００３０】
以上のように、この発明の実施の形態２（図６）によれば、複数の光学素子（導光板７１、７２）は、互いに光軸方向にずれて配置され、複数の導光板７１、７２のうちの前段側の導光板７１は、後段側（光出射側）に配置された導光板７２（厚さｔ２）よりも薄い厚さｔ１を有するので、導光板７１、７２の材料と空気との屈折率の違いにより、光の散逸を確実に防ぐとともに、導光板７１、７２の間の距離ｄでの光の受け渡しのロスが少なくすることができ、さらに高密度のレーザ光を発生させることができる。
【００３１】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、複数の光学素子として導光板のみを用いたが、他の光学素子を組み合わせて用いてもよく、たとえば図７のように、前段側のＬＤパッケージ６ａに対応する光学素子として、ＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）８を用いてもよい。
図７はこの発明の実施の形態３に係るレーザ装置を概略的に示す平面図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００３２】
図７において、最前段側のＬＤパッケージ６ａの光出射面には、ＦＡＣ８が装着されている。
これにより、ＬＤパッケージ６ａの出射光は、ＦＡＣ８によってコリメートされ、各ヒートシンク５ｂ、５ｃの上部の空気中を通過して、高効率に導光板７ｂに入射するように構成されている。
【００３３】
図７のように、複数のＬＤアレイ１ａ〜１ｃを構成することにより、前述（図４）の導光板７ａを省略することができ、２枚の導光板７ａ、７ｂを近接配置することなく、高効率の導光を実現することができる。
なお、図７の構成においても、図５と同様に、３個以上のＬＤアレイを使用可能なことは言うまでもない。
【００３４】
以上のように、この発明の実施の形態３によれば、複数の光学素子のうち、光出射側よりも前段側（光出射源側）に位置する少なくとも１つの光学素子がＦＡＣ８により構成されているので、ＦＡＣ８の速軸方向集光機能およびコリメート機能により、光の散逸を確実に防ぐことができ、さらに高密度のレーザ光を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置に用いられるＬＤパッケージ単体を示す斜視図である。
【図２】長手方向に広いＬＤパッケージにおける熱伝導を説明するための側面図である。
【図３】長手方向に狭いＬＤパッケージにおける熱伝導を説明するための側面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置のＬＤモジュール構成を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の他のＬＤモジュール構成を示す平面図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るレーザ装置のＬＤモジュール単体構成を示す側面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るレーザ装置のＬＤモジュール構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１、１ａ〜１ｃ  ＬＤ（半導体レーザ）アレイ、４、４ａ〜４ｃ  負電極、５、５ａ〜５ｃ  ヒートシンク、６、６ａ〜６ｃ、６Ａ〜６Ｆ  ＬＤパッケージ、７ａ、７ｂ、７Ａ〜７Ｄ、７１、７２  導光板、８  ＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）。
【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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