JP5100655B2

JP5100655B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP5100655B2
Application number: JP2008536918A
Authority: JP
Inventors: シュテール，デトレフ; バルトシェヴスキー，ダニエル
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: EP1943706B1; WO2007048362A1; KR20080069987A; US20080225913A1; CN101305504B; CN101305504A; DE112005003806A5; EP1943706A1; KR101151469B1; JP2009514199A; US7715456B2

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１の上位概念に従う半導体レーザ装置および請求項１３の上位概念に従う半導体レーザ装置に関する。

上記のタイプの半導体レーザ装置において、密に閉じたハウジングを実現するために、ハウジング下方部分が、ヒートシンクとダイオードを完全に取囲み、このハウジング下方部分上に、ハウジング上方部分が配設されることが技術水準から知られている。このようなタイプの構造の場合には、一方では、かかるタイプの装置ために大きな空間が必要であることと、他方、ヒートシンク下方において、さらなる熱伝達があることが実証されている。

さらにまた、最近のヒートシンクは通常銅からなる。銅は、ガリウムヒ素製の通常の半導体レーザ素子とは異なる熱膨張係数を有する。このような理由から、たとえばレーザダイオードバーとして実施される半導体レーザ素子のろう付けはヒートシンク上ではできない。

本発明が基礎とする課題は、冒頭で述べたタイプの、要する場所がより小さい半導体レーザ装置を提供することである。さらにまた、本発明は、冒頭で述べたタイプの半導体レーザ装置のためのヒートシンクであって、ヒートシンク上で半導体レーザ素子のろう付けが可能であるヒートシンクを提供するという課題に基づく。

これは、本発明に従えば、請求項１および／または請求項１６および／または請求項１７の特徴を有する冒頭で述べたタイプの半導体レーザ装置によって達成される。

請求項１に従えば、ヒートシンクはハウジング下方部分として機能するように構成される。このような実施形態によって、ヒートシンクを取囲む別個のハウジング下方部分が不要となる。したがって、必要なスペースが小さくてすむ半導体レーザ装置が得られる。

ヒートシンクは、シール手段のための、および／またはシール手段と共に作用する、ハウジング上方部分の第３の配置面のための、第２の配置面を有してもよい。

この場合この第２の配置面は、実質的に１つの平面において延びてもよい。
さらにまた、ハウジング上方部分とハウジング下方部分として機能するヒートシンクとは実質的に１つの平面において互いに、および／またはシール手段に接している。

特に、第１の配置面と第２の配置面とは、０°ではなく、かつ１８０°ではない角度をなす構成としてもよい。たとえば、第１の配置面と第２の配置面との間の角度は３°〜１５°であり、好ましくは５°〜１０°、特に、８°とすることができる。半導体レーザ素子の構成のために機能する第１の配置面と、上方部分の構成のために機能する第２の配置面との間の角度によって、第１の配置面は、その両側面の一方において、この一方の側面に対向している側面におけるよりも、第１の配置面の法線方向において第２の配置面に対してより長い間隔を有することになる。このようにより長い間隔を有する側面は通常、第１の配置面上の半導体レーザ素子が装着される側面である。第１の配置面と第２の配置面との間の角度によって、特に半導体レーザ素子の前に段差または間隙ができ、これが、たとえば、半導体レーザ装置が有する光学手段を取付けるための空間となる。この光学手段は、少なくとも１つの半導体レーザ素子から出射されるレーザビームの影響に役立っている。このような光学手段は、たとえば、速軸コリメーションレンズとして実施することができる。

シール手段は、特に、実質的に第２の配置面の平面において第１の配置面を取囲むように構成することができる。たとえば、シール手段はＯリングを含んでもよい。この場合、シール手段は、Ｏリングを設けるために、第２の配置面および／または第３の配置面に切り欠きを有する構成としてもよい。特にこの場合、Ｏリングが第１の配置面を取囲んでもよい。このような方法では、簡単な手段によって、ハウジング上方部分とハウジング下方部分として機能するヒートシンクとの間を良好にシールすることができる。

たとえば、シール手段は、ハウジング上方部分とハウジング下方部分との間の密な結合が、漏洩率２×１０^-6ｍｂａｒ・ｌ・ｓ^-1、または２×１０^-7Ｎ・ｍ・ｓ^-1よりも小さく、特に、１×１０^-6ｍｂａｒ・ｌ・ｓ^-1、または１×１０^-7Ｎ・ｍ・ｓ^-1よりも小さくなることを保証するように構成することができる。これは、シール手段によって、比較的小さい漏洩率を実現することができることを示す。

請求項１６に従えば、ヒートシンクは、少なくとも１つの半導体レーザ素子の熱膨張係数、特にガリウムヒ素の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有する。これによって、半導体レーザ素子を、ろう付けによってヒートシンク上に設けることが可能となる。

請求項１７に従えば、ヒートシンクは実質的にセラミックからなり、この場合、セラミックは特に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を混合している。ここでいうセラミックとは、特に、カーボンナノチューブを混合することから、電流および熱に対して、非常に高い伝導性を有するセラミックである。同時に、カーボンナノチューブは、セラミックが非常に高い破壊強さを有することを可能にする。特に、ヒートシンクとして用いられるセラミックの熱膨張係数を、半導体レーザ素子の熱膨張係数に、特にガリウムヒ素の熱膨張係数に対応するように調整することが好ましい。

かかるセラミックの製造は、セラミックの製造のために用いられる粉体に適切な量のカーボンナノチューブを混合することによって実現することができる。

代わりに、ヒートシンクを銅またはＣｕＷｏを含む銅からなるものとしてもよい。
本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照した、好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

図１から明らかなように、本発明に従う半導体レーザ装置は、ハウジング下方部分として機能するヒートシンク１とハウジング上方部分２とを有し、これらは互いに結合することができる。さらにまた、半導体レーザ装置は、ハウジングフロントプレート３を有し、該ハウジングフロントプレート３は、特に、出射窓４を取付けることができる。また、代わりに、出射窓４を、ハウジング上方部分２に直接統合することも可能である。さらにまた、図示の半導体レーザ装置は、たとえばレーザダイオードバーとして実施される半導体レーザ素子５（たとえば図７参照）と、陰極６用取付け手段と、特に速軸コリメーションレンズ７として実施される光学手段とを有する。

ヒートシンク１は、実質的に正方形の底面８と、これに対して距離をおいた第２の配置面９とを有する。この第２の配置面９と底面８とは、特に図９から明らかなように、たとえば、約８°の角度αを互いになす。図９に従う側面図において、第２の配置面９は左から右に幾分傾斜しており、したがってヒートシンク１は側面において略くさび形に形成される。ヒートシンク１は、実質的に斜めに切断された直方状をなす。

図４から明らかなように、ヒートシンク１のみならずハウジング上方部分２も、斜めに切断された直方状をなす。ヒートシンク１の場合、上側は斜めに切断され、それに対してハウジング上方部分２の場合には下側が斜めに切断されている。

第２の配置面９は、ヒートシンク１の全上面を形成しているわけではない。むしろ、ヒートシンク１の上側の中間領域には、半導体レーザ素子５の構成に寄与する第１の配置面１０が設けられる。特に、図３および図７から明らかなように、半導体レーザ素子は、端部領域に、すなわち第１の配置面１０の図７における右側の端部領域に設けられる。

第１の配置面１０は、特に図９から明らかなように、ヒートシンク１の底面８に平行である。このため、第１の配置面１０も第２の配置面９と前述の角度αをなす。第１の配置面１０と第２の配置面９とのなす角度のために、第１の配置面１０と第２の配置面９との間の垂直距離は、第１の配置面９の図９における右側の方が、第１の配置面１０の図９における左側におけるよりも大きくなる。さらにまた、第１の配置面１０は、図９における右側では、第２の配置面９までは延びていない。むしろ、これら２つの間には、水平にかつ垂直に延びる取付けスペース１１を可能にする距離がある。この取付けスペース１１は、たとえば図３、図７および図９から明らかである。

取付けスペース１１は、上述の取付け手段を設けるのに役立つ。取付け手段は、金属板１２を有し、金属板１２はねじ１３を介して取付けスペース１１の下側の領域においてヒートシンク１と結合することができる（図１参照）。金属板１２上には、レンズホルダ１４を載置することができ、レンズホルダ１４は速軸コリメーションレンズ７を保持する。レンズホルダ１４と金属板１２とは、アングル１５を介してたとえば接着剤、半田または硬質半田によって互いに結合することができる。

図３および図７から明らかなように、第２の配置面９中の第１の配置面１０の周りには、図示されていないＯリングを取付けるための溝１６が設けられている。したがって、図示されていないＯリングは、第１の配置面１０と取付けスペース１１を隙間なく取囲み、第３の配置面として機能するハウジング上方部分２の下側に気密に密着することができる。

さらにまた図１からわかるように、陰極６があり、この陰極６は、ねじ１７と絶縁ブッシュ１８とを介して第１の配置面１０と結合することができる。この場合、陰極６の下側の一部が、半導体レーザ素子５の上側と接する。特に、半導体レーザ素子５の上側に載っていない陰極６の下側と配置面１０の上側との間には、非伝導層または非伝導材料が設けられている。

陰極６は、外側からハウジング上方部分２を介して電気接続部１９と結合することができる。この電気接続部１９は、Ｏリング２０と絶縁ブッシュ２１とを介してハウジング上方部分２に対して分離されている（図１および図５参照）。

さらにまた、陽極として機能する第１の配置面１０の上側であって、半導体レーザ素子５の下側と導電性を有するように結合される第１の配置面１０の上側は、電気接続部２２と接続することができる。これはたとえば、ヒートシンク１のねじ穴２３に容易にねじ止めされる（図８参照）。

ハウジング上方部分２とヒートシンク１とは、ねじ２４によって、互いに結合され、これらのねじ２４は、たとえば穴２５を貫通して、ヒートシンク１の対応するねじ穴２６にねじ込まれる。さらにまた、ハウジング上方部分２にも、またハウジング下方部分として機能するヒートシンク１にも、貫通する穴２７，２８をねじ２９のために設けてもよく、これらはたとえば、半導体レーザ装置全体を装置に固定ねじ止めすることができる（たとえば、図１、図４、図７参照）。

さらにまた、図５および図８から明らかなように、センサ手段のためにヒートシンク１に穴３０がある。

さらにまた図１から明らかなように、ハウジング上方部分２は、出射するレーザビーム３２を入射させるための開口３１を有する（図５も参照）。開口３１内に窓４を取付けることができる。さらにまた、ハウジングフロントプレート３もレーザビーム３２を通過させるための開口３３を有する。

ハウジングフロントプレート３は、図示されていないねじによって、ヒートシンク１に結合することができる。特に、これに対応するねじ穴３４をヒートシンク１および／またはハウジング上方部分２の前面に設けることができる。これらのねじは、前面プレートの対応する開口または穴３５に通すことができる。

ヒートシンク１の図７の左側には、第２の配置面９に、保持用切欠き３６が設けられ、かかる切欠きを固定手段の噛み合いに役立ててもよい。特に、この保持用切欠き３６は、ハウジング上方部分２に設けられたノーズ用の受けとして役立つ。保持用切欠き３６にノーズを噛み合わせることによって、ヒートシンク１にねじで固定する場合にハウジング上方部分２が滑ることが防止される。

ヒートシンク１は、完全にまたは少なくとも部分的にセラミック材料からなるものであってよい。特に、カーボンナノチューブが混合されるセラミック材料を用いることが可能である。このようなセラミックは、セラミック製造のための出発材料として用いられる粉体にカーボンナノチューブを混合することによって作ることができる。

このようなセラミックは、非常に高い熱伝導性、電気伝導性を有することができる。さらにまた、カーボンナノチューブを含むために非常に高い破壊強度を有することができる。特に、セラミック製のこのようなヒートシンク１の熱膨張係数が、半導体レーザ素子５のそれに、および特にガリウムヒ素のそれに相当するのが好ましい。このようにすることで、半導体レーザ素子５を硬質半田によって、ヒートシンク１と、またはヒートシンク１の第１の配置面１０と結合することができる。

本発明に従う半導体レーザ装置の分解図である。図１に従う半導体レーザ装置の斜視図である。図１に従う半導体レーザ装置の半導体レーザ素子を有するヒートシンクの斜視図である。図６における矢符ＩＶ−ＩＶに従う断面図である。図６における矢符Ｖ−Ｖに従う断面図である。図１に従う半導体レーザ装置の平面図である。図３に従う半導体レーザ装置におけるヒートシンクの平面図である。図７における矢符ＶＩＩＩに従う正面図である。図７における矢符ＶＩＩに従う正面図である。

Claims

少なくとも１つの半導体レーザ素子（５）と、
該少なくとも１つの半導体レーザ素子（５）が取付けられる第１の配置面（１０）を有するヒートシンク（１）と、
互いに結合された状態で、半導体レーザ素子（５）を少なくとも部分的に取囲むことが可能である、ハウジング上方部分（２）およびハウジング下方部分と、
ハウジング上方部分（２）とハウジング下方部分との密な結合のためのシール手段と、
を有する半導体レーザ装置において、
ヒートシンク（１）は、ハウジング下方部分として機能し、ヒートシンク（１）は、さらにシール手段のための、および／またはシール手段と共に作用する、ハウジング上方部分（２）の第３の配置面のための、第２の配置面（９）を有し、
第１の配置面（１０）と第２の配置面（９）との間の角度（α）は３°〜１５°であることを特徴とする、半導体レーザ装置。
第２の配置面（９）は、１つの平面において延びることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
ハウジング上方部分（２）と、ハウジング下方部分として機能するヒートシンク（１）とは１つの平面において互いに、および／またはシール手段に接していることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
第１の配置面（１０）と第２の配置面（９）との間の角度（α）は５°〜１０°であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
第１の配置面（１０）と第２の配置面（９）との間の角度（α）は８°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
シール手段は、第２の配置面（９）の平面において第１の配置面（１０）を取囲むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
シール手段はＯリングを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
シール手段は、Ｏリングを設けるために、第２の配置面（９）および／または第３の配置面に溝（１６）を有することを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ装置。
Ｏリングが第１の配置面（１０）を取囲むことを特徴とする、請求項７または８に記載の半導体レーザ装置。
半導体レーザ装置は、少なくとも１つの半導体レーザ素子（５）から出射されるレーザビーム（３２）に影響を及ぼすための光学手段を有していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
光学手段は、少なくとも１つの速軸コリメーションレンズ（７）を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の半導体レーザ装置。
半導体レーザ装置は光学手段を取付けるための取付け手段を含むことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の半導体レーザ装置。
第１の配置面（１０）と第２の配置面（９）との間には、半導体レーザ素子（５）に隣接する少なくとも１つの領域において、光学手段を取付けるための場所を提供するような中間スペースが形成されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
シール手段は、ハウジング上方部分（２）とハウジング下方部分との間の密な結合が、漏洩率２×１０^-6ｍｂａｒ・ｌ・ｓ^-1、すなわち２×１０^-7Ｎ・ｍ・ｓ^-1よりも小さくなることを保証するように構成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
シール手段は、ハウジング上方部分（２）とハウジング下方部分との間の密な結合が、漏洩率１×１０ ^-6 ｍｂａｒ・ｌ・ｓ ^-1 、すなわち１×１０ ^-7 Ｎ・ｍ・ｓ ^-1 よりも小さくなることを保証するように構成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。