JP4305524B2 - 冷却装置、半導体レーザ光源装置、半導体レーザ光源ユニット、および固体レーザ装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (14)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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1〜5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。 - 前記半導体レーザと前記第1の板状部材の間に銅タングステン合金又は銅モリブデン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6記載の半導体レーザ光源装置。
- 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6記載の半導体レーザ光源装置。 - 請求項8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。 - 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9記載の半導体レーザ光源ユニット。
- 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9記載の半導体レーザ光源ユニット。 - 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9記載の半導体レーザ光源ユニット。
- 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9記載の半導体レーザ光源ユニット。
- 請求項9〜12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。
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