(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
良好な熱伝導体の材料からなり、その一面に並列なリブと溝の系が形成され、上記リブが同一で且つ等距離である熱拡散板と、
ダイオードと組み合って且つ上記溝内に縦に収納された複数の半導体アレイと
を備え、上記溝は上記熱拡散板に一側で接合された少なくともほぼ三角形の断面を有し、上記各半導体アレイは上記リブの１つの斜めの側面に平坦に固定され、
上記ダイオード間の接続を行うために、上記並列のリブおよび溝の系は上記半導体アレイが平坦に固定されている金属化フィルムで被膜され、該金属化フィルムは上記リブおよび溝に並列な遮断ストリップを含む
ダイオードレーザ装置。
【請求項２】
各リブの上記２つの斜めの側面は、それらの間に６０゜程度の稜角を形成する請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項３】
熱を伝えるが上記リブと溝の系および上記金属化フィルム間で電気を伝えない材料のフィルムを含む請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項４】
２つの半導体アレイが各溝内に設けられ、その溝の正面発散斜め側面に平坦に固定され、上記半導体アレイは同じ導電型を有し、上記金属化フィルムの上記遮断ストリップは上記リブの先端と垂直線上にあり、各溝内では第１の導体が上記２つの半導体アレイを相互に電気的に接続し、第２の導体が毎回１つの溝の第１の導体を隣接する溝の上記金属化フィルムの部分に接続する請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項５】
単一の半導体アレイが、上記ダイオードの上記半導体アレイの全てが並列の斜め側面に平坦に固定されるように、各溝内に設けられ、上記半導体アレイは同じ導電型を有し、上記金属化フィルムの上記遮断ストリップは上記溝の上記基部と垂直線上にあり、各溝内では導体が上記半導体アレイをその内部で上記半導体アレイの固定されている上記斜め側面と反対の上記斜め側面を覆っている上記金属化フィルムの部分に接続する請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項６】
２つの半導体アレイは、各溝内に設けられ、その溝の正面発散斜め側面に平坦に固定され、溝内の上記２つの半導体アレイは反対の導電型を有し、一方の導電型の上記半導体アレイの全てが並列の斜め側面に固定され、上記金属化フィルムの上記遮断ストリップは上記溝の上記基部と垂直線上にあり、各溝内では導体が反対の導電型を有する２つの半導体アレイを相互に接続する請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項７】
上記金属化フィルムの厚さは、５０μｍ〜２００μｍの間である請求項１記載のダイオードレーザ装置。
【請求項８】
上記導体は厚さが５０μｍ〜２００μｍの間にあるストリップの形態である請求項４記載のダイオードレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイオードが相互に並列に設けられた複数の半導体アレイに配列され、且つ熱拡散板に固定され、次いでクーリングシステムに接続されたダイオードレーザ装置に関するものである。レーザダイオードは、このレーザダイオードのアレイを形成するのにストリップに割り込んだ半導体基板上にエピタキシャル成長される。この種のダイオードレーザ装置は、例えば１９９２年４月第２８巻第４号量子電子工学のＩＥＥＥジャーナル、第９５２〜９６５頁の“高電力ダイオードレーザアレイ”および第９６６〜９７６頁の“高平均電力レーザダイオードアレイ用モジューラ・微小通路冷却ヒートシンク”と米国特許第５１２８９５１号に記載されている。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオードレーザ装置は、例えばポンプ式固体レーザ（米国特許第４８４７８５１号）、フィバー光学リンク、材料，医薬のレーザ処理等多くの用途がある。現時点ではそれ自体周知で且つ上述した従来技術に記載されたダイオードレーザ装置には、実質的に２つのタイプがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
第１のタイプでは、半導体アレイが熱拡散板の一方の面に平坦に溶接され、この面は２つの隣接する半導体アレイ間に機械で仕上げられ、その面に対向するダイオードによって放射された放射熱を反射するためのミラーを形成する。この種の設備では、熱がそのダイオードから効率よく抽出され、その結果、それらの動作は、信頼性がよい。他方、この方法では、密で且つ均一な放射熱を十分に得ることは不可能である。
【０００４】
それ自身周知の装置の第２のタイプでは、熱拡散板の一方の面に並列な矩形の横，断面のリブと溝のシステムを備え、溝は半導体アレイがその端部に縦に設けられたハウジングを形成する。この種の構成は、熱拡散板上の半導体アレイの密度を増大するが、熱の排除が不十分で小さな接触表面積であるので、高密度の放射熱を提供しない。従って、レーザダイオードは過熱し、高放射密度が要求される場合には即座に破壊される。
【０００５】
この発明の目的は、ダイオードレーザ装置からの放射熱の密度と均一性を増大することによりこれらの欠点を除去することである。この発明は、半導体アレイと熱拡散板との間の熱交換とダイオードの動作寿命を増大し、半導体アレイの電気的接続を簡略化し、装置の生産を自動化し、それによってその製造費用が低減される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このために、この発明によれば、ダイオードレーザ装置は、良好な熱伝導体の材料からなり、その一面に並列なリブと溝の系が形成され、そのリブが同一で且つ等距離である熱拡散板と、ダイオードと組み合って且つ溝内に縦に収納された複数の半導体アレイとを備え、溝は熱拡散板に一側で接合された少なくともほぼ三角形の断面を有し、各半導体アレイはリブの１つの斜めの側面に平坦に固定される。
【０００７】
都合よく、各リブの２つの斜めの側面は、それらの間にレーザダイオードの発散角に少なくともほぼ等しい例えば６０゜程度の稜角を形成する。  従って、レーザダイオードが三角形のリブの塊状基部の冷却表面の近くに設けられているので、レーザダイオード接合部からの良好な熱の排除が確実になる。更に、この方法で斜めに設けられたダイオードからの光束は重複し、これはその結果得られる放射熱の密度および均一性を増大する。これは、熱拡散板の表面が半導体アレイで覆われる密度に関連して合理的な妥協点を表す。
【０００８】
ダイオード間の接続を行うために、並列のリブおよび溝の系は半導体アレイが平坦に固定されている金属化フィルムで被膜され、この金属化フィルムはリブおよび溝に並列な遮断ストリップを含む。
これらの遮断ストリップは、例えばリブの先端と垂直線上または溝の底と垂直線上の特定の箇所では最初均一である金属化フィルムの計画的は破壊によって都合よく得られる。
【０００９】
好ましくは、熱拡散板の表面の平滑とレーザダイオードおよび熱拡散板間の電気的絶縁を改善するために、ダイオードレーザ装置は熱を伝えるがリブと溝の系および金属化フィルム間で電気を伝えない材料のフィルムを含む。
この発明の第１の実施の形態では、２つの半導体アレイは各溝内に設けられ、その溝の正面発散斜め側面に平坦に固定され、半導体アレイは同じ導電型を有し、金属化フィルムの遮断ストリップはリブの先端と垂直線上にあり、各溝内では第１の導体が２つの半導体アレイを相互に電気的に接続し、第２の導体が毎回１つの溝の第１の導体を隣接する溝の金属化フィルムの部分に接続する。
この種の配列では、溝の２つの半導体アレイは並列に接続され、溝の全ての２つの半導体アレイの並列の組み合わせが直列に接続される。
【００１０】
この発明の１つの実施の形態では、単一の半導体アレイは、ダイオードレーザ装置の半導体アレイの全てが並列の斜め側面に平坦に固定されるように、各溝内に設けられ、半導体アレイは同じ導電型を有し、金属化フィルムの遮断ストリップは溝の基部と垂直線上にあり、各溝内では導体が半導体アレイをその内部で半導体アレイの固定されている斜め側面と反対の斜め側面を覆っている金属化フィルムの部分に接続する。
この種の装置では、全ての半導体アレイは直列に接続される。半導体アレイの数が半減されているので放射熱の強度は少し減っているが、電気的な接続は更に簡略化される。
【００１１】
この発明の他の実施の形態では、２つの半導体アレイは各溝内に設けられ、その溝の正面発散斜め側面に平坦に固定され、溝内の２つの半導体アレイは反対の導電型を有し、一方の導電型の半導体アレイの全てが並列の斜め側面に固定され、金属化フィルムの遮断ストリップは溝の基部と垂直線上にあり、各溝内では導体が反対の導電型を有する２つの半導体アレイを相互に接続する。
この方法では、金属化フィルムと最後に述べた導体により与えられるもの以外のいかなる接続をなすことなく、全ての半導体アレイは直列に接続される。
上述した３つの実施の形態では、その構造は少ない接続で済み、その結果接続構成が簡略化され、製造を容易に自動化できる。
添付図面の各図は、この発明をいかに効果的に実施するかを示す。これらの図において、同一の参照符号は同一の構成要素を表す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示すこの発明によるダイオードレーザ装置用の熱拡散板１は、非常に良好な熱伝導体ではあるが、好ましくは絶縁体即ち非導電体の例えばダイヤモンド、炭化ケイ素、酸化ベリリウム等のような材料で作られた全体に平行六面体形状のブロックの形である。それは、多孔性とされるか或いはそれ自体周知の任意の方法による微小通路を備えたものであれば、都合がよい。熱拡散板１の表面は３ｎｍまたはそれより良好の粗さに磨くことができる。この熱拡散板は図示しないクーリングシステムに装荷される。
【００１３】
並列を成す複数のリブ２と溝３の系が熱拡散板１の大きい面の一方に形成され、これらのリブ２は同一で且つ等間隔である。図に示す特定の例では、これらの系は少なくともほぼ三角形の断面を有する５つのリブ２と少なくともほぼ台形の断面を有する４つの溝３を含み、各溝３は２つの隣接する並列のリブ２間の形状で規定される。各リブ２は広い基部４によって熱拡散板１に接合され、熱拡散板１から離れている面の先端５はその先が切り取られる。各溝３は熱拡散板１と反対の側が開きその基部６から広くなっている。各リブ２は、２つの平面で傾き且つ収斂し、それらの間で稜角ａを持つ側面を有する。従って、各溝３は２つの隣接するリブ２の発散面の側面７および８によって範囲が定まる。
【００１４】
図２（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、リブ２および溝３を備える熱拡散板１の少なくとも一部は、熱を通すが電気を通さない例えば炭化ケイ素の材料のフィルム９で被膜される。フィルム９は溝３の基部６と、リブ２の先端５および側面７、８とを覆う。フィルム９は５０μｍ〜２００μｍ程度の厚さを持つ。その熱を通す機能に加えて、フィルム９はまた熱拡散板１を円滑にするようになされている。
【００１５】
また、図２（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、熱的に伝導性のフィルム９は、例えばクロム、チタン、ニッケル、金、銀またはこれらの金属の合金の金属化フィルム１０で覆うわれる。金属化フィルム１０は５０μｍ〜２００μｍ程度の厚さを持つ。
図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）の実施の形態では、金属化フィルム１０は溝３の基部６とリブ２の側面７および８との垂直線上でフィルム９を覆うが、リブ２の先端５と垂直線上では破壊されている。従って、先端５の対応する関係では、フィルム１０はフィルム９が露出しているストリップ１１に沿って遮断される。
【００１６】
図２（ｂ）に示すように、この図はリブ２の反対側の２つの隣接する溝３を示す図１の拡大された断辺に対応し、レーザダイオードを備える２つの半導体アレイは溝３の各々に装荷される。これらの半導体アレイは溝３の一方に対して参照符号１２および１３で、溝３の他方に対して参照符号１４および１５で識別される。半導体アレイ１２〜１５の各々はｎ型であり、例えばインジウム、スズまたは金のような低い溶解点の半田を用いる半田付けによって斜めの側面７または側面８のいずれかを覆う金属化フィルム１０の部分上の熱拡散板の側に平坦に固定される。
【００１７】
従って、各溝３では、一方の半導体アレイ１２または１４は対応する斜めの側面７によって支持され、他方の半導体アレイ１３または１５は関連する斜めの側面８によって支持され、そのため、ある溝の２つの半導体アレイ、即ち一方では半導体アレイ１２および１３、他方では半導体アレイ１４および１５は基部６と斜めの側面７および８を覆っている金属化フィルム１０の部分でそれらの固定面を介して相互に電気的に接続される。各溝３において、５０μｍ〜２００μｍの厚さを持つＶ状の導電性のストリップ１６例えば金属（銅）ストリップは、対応する半導体アレイ１２および１３または１４および１５の固定面とは反対の面を電気的に接続する。熱的かつ電気的に伝導性の付着層１７を導電性のストリップ１６およびダイオード即ち半導体アレイ１２〜１５の間に設けてもよい。
【００１８】
図２（ｃ）に示すように、半導体アレイ１２は、一方で対応する溝３を覆っている金属化フィルム１０を介して、他方で関連する導電性のストリップ１６を介して半導体アレイ１３と並列に電気的に接続される。同様に、半導体アレイ１４は、一方で対応する溝３を覆っている金属化フィルム１０を介して、他方で関連する導電性のストリップ１６を介して半導体アレイ１５と並列に電気的に接続される。一方の半導体アレイ１２および１３と他方の半導体アレイ１４および１５の並列接続は、ダイオード１２および１３のストリップ１６をダイオード１４および１５と関連するフィルム１０の部分に接続する導体１８により直列に接続できる。この種の導体１８は、図２（ｃ）には示しているが、図２（ｂ）には示していない。
【００１９】
上述の説明から、２つの隣接する溝の４つの半導体アレイについて丁度説明した並列ー直列配列は、装置の半導体アレイの全てに適用できることは容易に理解できるであろう。総合並列ー直列配列の両端において、導体１９は電源の＋極を並列のアレイの最初の対のフィルム１０に接続し、導体２０は並列の最後の対の導電性のストリップ１６を電源のー極に接続する。
【００２０】
（それぞれ、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に対応する）図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）の実施の形態では、金属化フィルム１０はリブ２の先端５と側面７および８との垂直線上でフィルム９を覆うが、溝３の基部６の垂直線上では覆わない。従って、基部６と対応する関係では、フィルム１０はフィルム９が露出しているストリップ２１に沿って遮断される。
【００２１】
更に、この実施の形態では、レーザダイオードを備える１つの半導体アレイのみが溝３の各々に装荷される。図３（ｂ）では、この半導体アレイは溝３の一方に対して参照符号２２で、隣接の溝３に対して参照符号２３で識別される。
半導体アレイ２２および２３はｎ型であり、それらの各々は半導体アレイ１３および１５に関連して上述したように設けられている溝３の斜めの側面８に固定される。この実施の形態では、Ｖ状の導電性のストリップ１６は、半導体アレイ２２および２３の固定面とは反対の面を対応する斜めの側面７を覆う金属化フィルム１０の部分に電気的に接続する。
【００２２】
従って、図３（ｃ）に示すように、２つの半導体アレイ２２および２３は、半導体アレイ２３と関連する導電性のストリップ１６と、上記半導体アレイを分離するリブ２を覆う金属化フィルム１０の部分とによって直列に接続される。この２つの隣接する溝の２つの半導体アレイの直列配列は、勿論装置の半導体アレイに一般化できる。総合直列配列の両端において、導体２４および２５は上記配列をそれぞれ電源の＋極とー極に接続するように設けられる。
【００２３】
（それぞれ、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に対応する）図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）の実施の形態では、金属化フィルム１０は図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）のものと同じであり、溝３の基部６に対応する関係の遮断ストリップ２１を含む。この実施の形態では、各溝３は図２（ｂ）の半導体アレイ１２および１３または１４および１５と丁度同じ方法で配列されたそれぞれ２つの２６および２７または２８および２９を含む。この場合、斜めの側面７の半導体アレイ２６および２８はｎ型であり、斜めの側面８の半導体アレイ２７および２９はｐ型である。
【００２４】
図４（ｃ）に示すように、反対の導電型を有する２つの半導体アレイ２６および２７は、対応するＶ状の導電性のストリップ１６によって直列に接続される。同様に、２つの半導体アレイ２８および２９が直列に接続される。更に、また反対の導電型を有する２つの半導体アレイ２７および２８は、２つの隣接する溝３を分離するリブ２を覆う金属化フィルム１０の部分で相互に直列に接続される。結局、図４（ｃ）に示すように、４つの半導体アレイ２６〜２９はそれらの交互に変わる導電型で直列に接続され、そして、金属化フィルム１０によっておよび導電性のストリップ１６によって交互に電気的に接続される。
この種の２つの隣接する溝３の４つの半導体アレイの直列配列は、装置の半導体アレイの全てに拡大できることは容易に理解できるであろう。完全な直列配列の両端において、導体３０および３１（図４（ｃ）参照）は上記配列をそれぞれ電源の＋極とー極に接続する。
【００２５】
図２（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）において、半導体アレイのダイオードからの放射熱を矢印Ｌで示す。リブ２の平面斜めの側面７および８の稜角ａはレーザダイオードからの放射熱Ｌの発散で規定される。この角度ａの値の適当な選択によって、装置からある距離で放射熱の最大の均一性を得ることが可能になる。角度ａを変えることによって、熱拡散板の単位表面当たりのレーザダイオードアレイの数を増大してもよいし、減少してもよい。リブの先端５および溝の基部６は鋭角、平坦また丸くしてもよい。それらの外観は、レーザダイオードアレイを電気的に接続する方法によって決定される。
【００２６】
リブ２の斜めの側面７および８は、レーザダイオードアレイ（〜０．５ｍｍ）のものより大きな幅を有する。技術的な観点から、それは０．８ｍｍ〜１．０ｍｍより大きいことが都合がよい。角度ａが６０°（レーザダイオード放射熱の発散角度の代表的値）に等しければ、最高２０個のレーザダイオードアレイを１ｃｍの長さの上に設けることができる。
【００２７】
金属化フィルム１０および導電性のストリップ１６の厚さは、５０μｍおよび２００μｍ間に作られ、そのため、そのストリップは２００μｓ〜４００μｓの期間中に最高１００Ａの電流を容易に運ぶことができる。この発明のレーザダイオード装置の構造により、レーザダイオードアレイと同じ輪郭を持つ工具を用いる自動生産が可能になる。
溝３の底即ち基部６の方に面するレーザダイオードアレイの側は、都合のよいことに、放射熱が外側方向に向けられるように、全体に反射層で覆われる。
【００２８】
熱拡散板１は例えば液体循環型のクーリングシステム（図示せず）に固定（例えばにかわ付け）される。熱拡散板は冷却液体が通過する多孔性の即ち微小通路の構造を持つことができる。
この発明に従って複数の装置を組み立てることにより、任意の大きさのレーザダイオードマトリクスを得ることが可能であることに留意されたい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ダイオードレーザ装置からの放射熱の密度と均一性を増大することにより、半導体アレイと熱拡散板との間の熱交換とダイオードの動作寿命を増大し、半導体アレイの電気的接続を簡略化し、装置の生産を自動化し、それによってその製造費用が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるダイオードレーザ装置の熱拡散板の透視図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】この発明の第３の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１  熱拡散板、２  リブ、３  溝、４，６  基部、５  先端、７，８  側面、９  フィルム、１０  金属化フィルム、１１，１６  ストリップ、１２〜１５  ，２２，２３，２６〜２９  半導体アレイ、１７  付着層、１８〜２０，２４，２５，３０，３１  導体、２１  遮断ストリップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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