JP6642749B1 - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ光源装置は、第一面から第二面に達する第一貫通孔を含むステムと、少なくとも一部分が第一貫通孔内に嵌合し、ステムよりも熱伝導率の高い材料で構成された第一ヒートシンクと、第一ヒートシンクの第一貫通孔の第一面側に露出した領域内の面上に第二方向に沿って複数配置されたサブマウントと、サブマウントのそれぞれの面上に配置された複数の半導体レーザ素子と、第一貫通孔内において、ステムの内壁と第一ヒートシンクの外壁との間に介在する接合材とを有する。第一ヒートシンクは、第一面側の位置において接合材によってステムと固定された第一領域と、第二面側の位置においてステムに対して固定されていない第二領域とを有する。【選択図】 図５Ｂ

Description

本発明は、半導体レーザ光源装置に関する。

現在、ＣＡＮパッケージと呼ばれるタイプのパッケージに半導体レーザ素子が収容された、半導体レーザ光源装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。図２３は、上記特許文献１に開示されている、従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す図面である。

図２３に示すように、従来の半導体レーザ光源装置１００は、ステム１０１と、ステム１０１の面上に突出して形成されたヒートシンク１０２と、ヒートシンク１０２の面上に載置されたサブマウント１０３と、サブマウント１０３の面上に載置された半導体レーザ素子１０４を備える。給電ピン１０５は、ステム１０１に設けられた貫通孔を貫通して配置され、サブマウント１０３を介して半導体レーザ素子１０４に対して給電を行う。

キャップ１１０は、円筒形状を呈しており、気密のためにステム１０１に対して被せられた状態で固定化される。キャップ１１０には窓部１１０ａが設けられており、半導体レーザ素子１０４から出射された光は窓部１１０ａを介して外部に取り出される。

特開２０１７−１３０３６５号公報

給電ピン１０５は、ステム１０１の貫通穴内に、絶縁材料としての低融点ガラスを介して挿入される。また、キャップ１１０は、ステム１０１に対して抵抗溶接によって固定されるのが一般的である。

かかる観点から、ステム１０１は、抵抗溶接の圧力に耐え得る程度に高い硬度を有し、且つ、低融点ガラスに近い熱膨張係数を示す材料であることが求められる。かかる観点から、ステム１０１は、Ｆｅ（鉄）やコバールなどの鉄合金が一般的に利用される。しかし、Ｆｅは熱伝導率が充分高い材料ではないため、半導体レーザ素子１０４の発光時に生じる熱を効率よく排熱することができない。かかる観点から、図２３に示すように、Ｆｅよりも熱伝導率の高い材料からなるヒートシンク１０２がステム１０１とは別に配置され、このヒートシンク１０２の面上に、サブマウント１０３を介して半導体レーザ素子１０４が取り付けられる。

ヒートシンク１０２は、一般的にＣｕ（銅）などの、Ｆｅよりは熱伝導率が高く、比較的安価に入手できる材料が用いられる。ヒートシンク１０２とステム１０１とは、銀ロウなどの金属ロウ材を介して接合される。

ところで、近年、高輝度の半導体レーザ光源装置の市場からの要請が高まりつつある。本発明者らは、図２３に示されるような、従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置１００において、複数の半導体レーザ素子１０４を並べることで、輝度を高めることを検討した。

しかし、複数の半導体レーザ素子１０４が狭い範囲内に並べられて構成される半導体レーザ光源装置１００は、単独の半導体レーザ素子１０４を備える従来の半導体レーザ光源装置１００と比較して、排熱性の問題が重要となる。本発明者らの鋭意研究により、図２３に図示されるような、従来の半導体レーザ光源装置１００の構造のままで、単に複数の半導体レーザ素子１０４を並べた場合には、充分高い排熱能力が確保できず、半導体レーザ素子１０４の出力の低下や、出射光の波長の変化、又は単寿命化といった問題を引き起こすおそれがあることを突き止めた。

本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ光源装置は、
第一面と、前記第一面に対して第一方向に位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
少なくとも一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
前記第一ヒートシンクの、前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した領域内の面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第一貫通孔内において、前記ステムの内壁と前記第一ヒートシンクの外壁との間に介在する接合材とを有し、
前記第一ヒートシンクは、前記第一面側の位置において前記接合材によって前記ステムと固定された第一領域と、前記第二面側の位置において前記ステムに対して固定されていない第二領域とを有することを特徴とする。

例えば、図２３に示されるような従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置１００において、複数の半導体レーザ素子１０４を並べることを検討した場合、排熱性を確保するために、ヒートシンク１０２を大きくする必要がある。本発明者らの鋭意研究によれば、大型のヒートシンク１０２とステム１０１とを銀ロウなどの金属ロウ材で接合すると、ヒートシンク１０２が半導体レーザ素子１０４側を凸にして反りやすくなることが分かった。なお、ここでは、説明の便宜のために、ステム１０１から見て半導体レーザ素子１０４が配置されている向きを「上」と呼び、その逆向きを「下」と呼ぶ。この呼び方に倣って記載すると、本発明者らの鋭意研究によれば、ヒートシンク１０２が上凸に反りやすいことが分かった。

更なる排熱性を確保するためには、ステム１０１の、半導体レーザ素子１０４とは反対側の面、すなわち下側の面に、直接又はアルミダイキャストなどの基台を介して、フィンなどの空冷部材又は排水管などの水冷部材を有してなる冷却部材を配置する方法が考えられる。しかし、上述したように、ヒートシンク１０２が上凸に反ると、この冷却部材とヒートシンク１０２とを面接触させることができず、高い排熱性が確保できない。

これに対し、本発明に係る半導体レーザ光源装置によれば、第一ヒートシンクは、第一面側（上側）ではステムに対して接合材によって固定される一方、第二面側（下側）ではステムに対して固定されていない。この結果、ステムと第一ヒートシンクとの接合工程により、ステムが下凸に反りやすくなる。これにより、空冷部材や水冷部材などの冷却部材（本明細書内において、「第二ヒートシンク」に対応する。）をステムの第二面側に接触させるに際し、下凸形状に沿っているステムを第一面側からステムを第二面側に向けて（下向きに）押圧することで、第一ヒートシンクを第二ヒートシンクに対して面接触させやすくなる。この結果、高い排熱性が確保できる。詳細は、「発明の詳細な説明」の項で後述される。

接合材としては、銀ロウなどの金属ロウ材、金属共晶半田材、金属接着材などを利用することができる。

前記第一ヒートシンクは、前記第一方向に関して前記第二面よりも前記第一貫通孔から外側に突出しているものとしても構わない。

第一ヒートシンクが、第一貫通孔から第二面よりも外側に突出しているため、仮に第一ヒートシンクが上凸に反る形状であっても、上記第二ヒートシンクと接触しない状態が回避される。特に、上述したように、ステムが下凸に反りやすい形状となるため、ステムを第二ヒートシンクに対して下向きに押さえながら固定することで、ステムよりも更に下側に突出している第一ヒートシンクは、第二ヒートシンクに対して面接触しやすい形状となる。この結果、高い排熱性が確保される。

前記接合材は、前記第一貫通孔内において、前記第一面側の領域にのみ形成されているものとしても構わない。

これにより、第一ヒートシンクは、ステムの第一面側においてステムに対して固定される第一領域と、ステムの第二面側においてステムに対して固定されていない第二領域とを有する。

前記半導体レーザ光源装置は、
前記第一ヒートシンクの前記第二領域と接触するように配置された第二ヒートシンクと、
前記第二ヒートシンクと前記ステムとを固定するための押さえ部材とを有するものとしても構わない。

第二ヒートシンクは、フィンなどの空冷部材又は排水管などの水冷部材を有してなる冷却部材とすることができる。なお、第二ヒートシンクは、前記冷却部材が単独で構成されていても構わないし、前記冷却部材に連結された基台を備えていても構わない。

複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されているものとしても構わない。

前記半導体レーザ光源装置は、前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向の双方に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換するものとしても構わない。

前記第一金属材料は、鉄、鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であるものとしても構わない。

本発明の半導体レーザ光源装置によれば、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現が可能となる。

半導体レーザ光源装置の第一実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。 図１からキャップ及びミラーの図示を省略した図面である。 ステムの構造を示す模式的な平面図である。 図１に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。 図４内のＡ１−Ａ１線断面図である。 図４内のＡ１−Ａ１線断面図である。 第二ヒートシンクを含む半導体レーザ光源装置の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 図６に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な図面である。 接合工程時に第一ヒートシンク及びステムに対してかかる応力を模式的に説明する図面である。 第一ヒートシンク及びステムを第二ヒートシンクに対して固定させる方法の一例を模式的に示す図面である。 図１に示す半導体レーザ光源装置の別実施例をＺ方向から見たときの模式的な平面図を、図４にならって図示した図面である。 半導体レーザ光源装置の第二実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。 図１１からキャップの図示を省略した図面である。 図１１に示す半導体レーザ光源装置をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。 図１３内のＡ１−Ａ１線断面図である。 半導体レーザ光源装置の第三実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。 図１５からキャップの図示を省略した図面である。 図１５に示す半導体レーザ光源装置の模式的な断面図である。 第二ヒートシンクを含む半導体レーザ光源装置の第三実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 半導体レーザ光源装置の第四実施形態の構造を模式的に示す斜視図である。 図１９からキャップの図示を省略した図面である。 図１９に示す半導体レーザ光源装置の模式的な断面図である。 別実施形態の半導体レーザ光源装置が備えるステムの構造を模式的に示す平面図である。 従来のＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す図面である。

本発明に係る半導体レーザ光源装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。以下の各図面は、模式的に示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比とは一致していない。また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

［第一実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第一実施形態について、説明する。図１は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図１は、理解の容易の観点から、後述するキャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。

以下の説明では、図１等に記載されたＸＹＺ座標系が適宜参照される。

図１に示すように、半導体レーザ光源装置１は、Ｘ方向に沿って複数配列された半導体レーザ素子２と、各半導体レーザ素子２が載置されるサブマウント３と、サブマウント３が面上に載置される第一ヒートシンク４と、第一ヒートシンク４と連結されてなるステム５とを備える。

半導体レーザ素子２は、基板と基板上に積層された多層の半導体層とを含んであり、半導体層の構成材料に応じて決定される波長のレーザ光Ｌ２を出射する。例えば、前記半導体層が、ＩｎＧａＰ、又はＩｎＧａＡｌＰからなる活性層を含む場合、半導体レーザ素子２は、波長が６００ｎｍ〜８００ｎｍ帯の、いわゆる赤色光のレーザ光Ｌ２を出射する。ただし、本発明において、半導体レーザ光源装置１が出射するレーザ光Ｌ２の波長は限定されない。

本実施形態の例では、図１に示すように、各半導体レーザ素子２はＸＹ平面上においてＸ方向に整列するように配置されている。そして、半導体レーザ光源装置１は、各半導体レーザ素子２からＹ方向に出射されたレーザ光Ｌ２の進行方向を、Ｚ方向に変換するためのミラー１２を有する。ミラー１２によって進行方向が変換されたレーザ光Ｌ２は、キャップ１０に設けられた窓部１０ａを介して、半導体レーザ光源装置１の外部に取り出される。

キャップ１０は、内部を気密にすることで、半導体レーザ素子２を保護する目的で設けられており、例えばステム５に対して抵抗溶接などの方法で接合されている。

本明細書において、Ｚ方向が「第一方向」に対応し、Ｘ方向が「第二方向」に対応し、Ｙ方向が「第三方向」に対応する。

サブマウント３は、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザ素子２に対する給電のための電気的な接続が形成される。また、サブマウント３は、半導体レーザ素子２の発光時に生じる熱を、第一ヒートシンク４側に導く機能も有している。サブマウント３は、放熱性、絶縁性、半導体レーザ素子２との線膨張係数差などに鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウント３は、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＣｕＷなどの材料で構成される。

本実施形態において、各サブマウント３は、第一ヒートシンク４のＸＹ平面に平行な面上に載置されている。図２は、理解の容易のために、図１からキャップ１０及びミラー１２の図示を省略した図面である。

ステム５は、第一面５ａと、第一面５ａに対してＺ方向に向かい合う位置に第二面５ｂとを有する。ステム５は、図３に示すように、第一面５ａから第二面５ｂに対してＺ方向に貫通する、第一貫通孔２１と第二貫通孔２２とを有する。図３は、ステム５をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。図３に示すように、本実施形態の例では、ステム５は、１つの第一貫通孔２１と、２つの第二貫通孔（２２，２２）を有している。

ステム５は、上述したように、抵抗溶接などの方法で第一面５ａに対してキャップ１０が接合される。このため、ステム５は、抵抗溶接などが可能な材料で構成されており、例えば、鉄、鉄合金などで構成される。

本実施形態では、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して非対称な位置に第一貫通孔２１が形成されている。すなわち、ステム５は、Ｙ方向に関して第一貫通孔２１の外側の位置に、幅の広い領域（第一部分５１）と、幅の狭い領域（第二部分５２）とを有している。そして、ステム５の第一部分５１内において、Ｘ方向に離間した２箇所の位置に第二貫通孔２２が形成されている。

第一貫通孔２１は、第一ヒートシンク４を嵌合するための孔部である。図１及び図２に示されるように、第一ヒートシンク４は、第一貫通孔２１内にＺ方向に嵌め込まれるように配置されている。本実施形態では、第一貫通孔２１の、ステム５の第一面５ａ側に露出している第一ヒートシンク４の面上に、サブマウント３及び半導体レーザ素子２が載置されている。

第一ヒートシンク４は、半導体レーザ素子２の発光時に生じる熱を排熱させる機能を有している。このため、第一ヒートシンク４は、熱伝導率の高い材料で構成されるのが好ましい。より詳細には、第一ヒートシンク４は、ステム５よりも熱伝導率の高い材料で構成され、例えば、銅、銅合金などで構成される。

図２に示すように、本実施形態では、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、ステム５の第二面５ｂよりも長さｄ４だけ突出するように配置されている。

２箇所に設けられた第二貫通孔（２２，２２）は、給電ピン７を挿入するための孔部である。給電ピン７は、コバールなどの鉄合金などの導電性材料で構成される。より詳細には、第二貫通孔２２内には、中空状（筒状）に形成された、低融点ガラスなどの絶縁部材１３が嵌め込まれており、その内側に給電ピン７が挿入されることで、給電ピン７とステム５との間の絶縁性が確保されている。給電ピン７は、ステム５の第二面５ｂ側の位置において後述される給電基板１５と電気的に接続され、第一面５ａ側の位置において半導体レーザ素子２と電気的に接続される。これにより、給電基板１５から、給電ピン７を介して半導体レーザ素子２に対して給電される。

第一ヒートシンク４とステム５とは、第一貫通孔２１内において、接合材６によって接合されている。接合材６としては、銀ロウなどの金属ロウ材、金属共晶半田材、金属接着材などを利用することができる。

本実施形態において、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側において接合材６によってステム５と接合されている一方、第二面５ｂ側にはステム５と接合されていない。この点につき、図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。図４は、図１に示す半導体レーザ光源装置１をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。また、図５Ａ及び図５Ｂは、いずれも図４内のＡ１−Ａ１線断面図であるが、説明の都合上、表記の方法が異なっている。また、理解の容易のため、図５Ａ及び図５Ｂでは一部の部材の大きさが誇張して図示されている。

上述したように、ステム５に形成された第一貫通孔２１内に嵌め込まれた第一ヒートシンク４は、第一貫通孔２１内において接合材６によってステム５と接合されている。また、第二貫通孔２２内を貫通するように配置された給電ピン７は、低融点ガラスなどの絶縁部材１３によってステム５との間の絶縁性が確保されている。なお、本実施形態の例では、ステム５の第二面５ｂ側に露出している第一ヒートシンク４のＺ方向の長さｄ４は、ステム５の第二面５ｂ側に露出している給電ピン７の長さｄ７よりも長い。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図５Ｂに示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。

図６は、半導体レーザ光源装置１の構造を模式的に示す断面図であり、図５Ａ及び図５Ｂと比較して、更に第二ヒートシンク３１及び給電基板１５が図示されている。給電基板１５は、半導体レーザ素子２に対する給電を制御するための回路素子（不図示）が実装された基板である。なお、図６には、給電ピン７と半導体レーザ素子２を電気的に接続するためのワイヤ１８が図示されている。

上述したように、第一ヒートシンク４は、半導体レーザ素子２で生じた熱を排熱する機能を有している。この排熱効果を更に高める観点からは、第一ヒートシンク４を、空冷部材や水冷部材からなる第二ヒートシンク３１と接触させるのが好ましい。ここで、上記のように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関してステム５と接合されていない第二領域４ｂを有しているため、接合材６を用いて第一ヒートシンク４とステム５との接合に際して加熱及び冷却の工程を経ることで、第一ヒートシンク４が変形したとしても、第二ヒートシンク３１との面接触が容易に確保できる。この点については、後述される。

また、本実施形態の半導体レーザ光源装置１によれば、Ｚ方向に関して、第一ヒートシンク４が、給電ピン７よりも更に突出して配置されている。この結果、図６に示すように、給電基板１５を、ステム５の第二面５ｂと第二ヒートシンク３１との間の位置に配置することが可能となる。

図７は、給電基板１５を含む半導体レーザ光源装置１を、Ｚ方向に見たときの模式的な平面図である。図６及び図７に示すように、給電基板１５は、ステム５の第二面５ｂ側において、Ｘ方向に延伸するように配置される。給電ピン７は、例えばハンダ材１６によって給電基板１５に対して電気的な接続が形成されている。

かかる構成によれば、給電ピン７は、第一ヒートシンク４よりもＺ方向に係る突出長さが短いため、給電基板１５を配置するための、アルミダイキャストなどの基台を介することなく、直接第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して接触させることができる。アルミダイキャストなどの基台は、第二ヒートシンク３１よりも熱伝導率が低いため、かかる構成とすることで、より排熱性が高められる。

更に、第一ヒートシンク４は、ＸＹ平面に平行な方向に一定程度の広さを有した形状であり、この広さを有したままで第一貫通孔２１内に嵌め込まれている。これにより、排熱経路として利用される第一ヒートシンク４の断面積を大きく確保することができるため、排熱効率が高められる。

図８は、接合材６を用いて、第一ヒートシンク４とステム５とを接合する工程を経て、第一ヒートシンク４及びステム５に対してかかる応力を模式的に説明する図面である。

ステム５に形成された第一貫通孔２１の内壁に金属ロウなどからなる接合材６が設けられ、その内側に第一ヒートシンク４が嵌め込まれる。その後、金属ロウの融点を超える温度（例えば８００℃程度）に加熱されることで、融解された接合材６が、第一貫通孔２１内に位置する第一ヒートシンク４の外壁に付着する。その後、室温下まで冷却されることで接合材６が凝固し、これによって、第一ヒートシンク４とステム５とが固定される。

図８において、（ａ）は、加熱前の時点における、第一ヒートシンク４及びステム５の状態を示す図面である。また、（ｂ）は、加熱後、常温まで冷却された状態において、第一ヒートシンク４及びステム５に対して生じる応力を模式的に示す図面である。なお、図８（ｂ）では、力の向きが矢印の方向で示され、力の大きさが矢印の長さで示されている。

加熱されることで、第一ヒートシンク４及びステム５は膨張する。ここで、第一ヒートシンク４がＣｕ（銅）からなり、ステム５がＦｅ（鉄）からなる場合、熱膨張係数は第一ヒートシンク４の方がステム５よりも大きい。このため、冷却時には、第一ヒートシンク４に対して、ステム５よりも大きく収縮しようとする力が働く。

ここで、上述したように、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側において接合材６でステム５と固定されている。このため、第一ヒートシンク４の、ステム５の第一面５ａ側に近い領域（第一領域４ａ）は、接合材６で固定されたステム５によって、収縮しようとする力に対して抵抗を受ける。この結果、第一ヒートシンク４の第一領域４ａは、ステム５から外側に向けて引張応力（Ｓｒ１ａ，Ｓｒ２ａ）を受ける。

一方、第一ヒートシンク４は、ステム５の第二面５ｂ側においては、接合材６でステム５と固定されていない。このため、第一ヒートシンク４の第二領域４ｂは、ステム５からの引張り応力を受けることなく、収縮しようとする力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）が働く。

逆に、ステム５については、第一面５ａに近い領域においては、第一ヒートシンク４に対して収縮しようとする力が働くため、内側に向けて引張応力（Ｓｒ１ｂ，Ｓｒ２ｂ）を受ける。一方、第二面５ｂに近い領域においては、接合材６で第一ヒートシンク４と固定されていないため、第一ヒートシンク４からの引張応力を受けることなく、収縮しようとする力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）が働く。ただし、ステム５の構成材料は、第一ヒートシンク４の構成材料よりも、熱膨張係数が低いため、第一ヒートシンク４の収縮力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）と比較して、ステム５の収縮力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）は小さい。

つまり、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側では外側に引っ張られる応力（Ｓｒ１ａ，Ｓｒ２ａ）が働き、ステム５の第二面５ｂ側では内側に収縮しようとする力（Ｓｒ３ａ，Ｓｒ４ａ）が働く。この結果、第一ヒートシンク４は、ステム５の第一面５ａ側、すなわち＋Ｚ方向を凸とした形状に反りやすくなる。

逆に、ステム５は、第一面５ａ側では内側に引っ張られる応力（Ｓｒ１ｂ，Ｓｒ２ｂ）が働き、第二面５ｂ側では外側に収縮しようとする力（Ｓｒ３ｂ，Ｓｒ４ｂ）が働く。この結果、ステム５は、第二面５ｂ側、すなわち−Ｚ方向を凸とした形状に反りやすくなる。

この結果、図９に模式的に示すように、−Ｚ方向を凸とした形状に反ったステム５を、押さえ部材３３を介して−Ｚ方向に押さえることで（外力Ｐ１）、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して面接触させやすくなる。これにより、半導体レーザ素子２で生じた熱を、経路Ｔｈ２を介して効率的に排熱できる。図９は、第一ヒートシンク４及びステム５を第二ヒートシンク３１に対して固定させる方法の一例を模式的に示す図面である。ただし、説明の都合上、反りなどの形状が極めて誇張して描かれている。

押さえ部材３３としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。また、ステム５の反りが大きい場合には、図９に示すように、ステム５と第二ヒートシンク３１との間にスペーサ３５を設けるものとしても構わない。スペーサ３５は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。

更に、図４に示すように、半導体レーザ素子２を、第一ヒートシンク４の面上のうち、ステム５の第一部分５１に近い側に配置するのが好ましい。Ｙ方向に係る長さの長い第一部分５１は、第一部分５１よりもＹ方向に係る長さの短い第二部分５２と比べて、冷却時に生じる引張応力が大きくなる。すなわち、図８において、応力Ｓｒ１ａは、応力Ｓｒ２ａよりも大きい。この結果、冷却工程の後、第一ヒートシンク４は、第一部分５１に近い側がより−Ｚ方向に変位する（上述したＺ方向への反り量が大きくなる）。よって、かかる領域の近くに半導体レーザ素子２が配置されることで、第二ヒートシンク３１との間の距離が近くなるため、熱源となる半導体レーザ素子２が配置された側が確実に第二ヒートシンク３１と接触し、排熱効果が更に高められる。

なお、上記実施形態において、Ｘ方向に関して、第二貫通孔２２が、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。すなわち、第二貫通孔２２に貫通して配置されている給電ピン７が、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。しかし、図１０に示すように、給電ピン７（及びこの給電ピン７が挿入される第二貫通孔２２）は、必ずしもＸ方向に関して、半導体レーザ素子２と同一の座標位置に配置されていなくても構わない。以下の各実施形態においても共通である。

［第二実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図１１は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図であり、図１と同様に、キャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。図１２は、図１１からキャップ１０の図示を省略した図面である。図１３は、図１１に示す半導体レーザ光源装置１をＺ方向から見たときの模式的な平面図である。図１４は、図１３内のＡ２−Ａ２線断面図であり、図５Ｂの表記方法にならって図示されたものである。

本実施形態では、第一実施形態と異なり、半導体レーザ光源装置１はミラー１２を備えていない。各半導体レーザ素子２及び各サブマウント３は、第一ヒートシンク４の面のうち、ステム５の第一面５ａとは非平行な面（ここではＸＺ平面に平行な面）上に配置されている。なお、各半導体レーザ素子２及び各サブマウント３が、Ｘ方向に整列して配置されている点においては、第一実施形態と共通である。

各半導体レーザ素子２は、Ｚ方向にレーザ光Ｌ２を出射するように配置されている。これにより、このレーザ光Ｌ２は、キャップ１０に設けられた窓部１０ａを介して、半導体レーザ光源装置１の外部に取り出される。

図１４に示すように、本実施形態においても、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図１４に示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。これにより、第一実施形態の半導体レーザ光源装置１と同様に、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１（図６参照）に対して面接触させやすくなり、排熱性の向上が図られる。

また、第一実施形態と同様に、ステム５の第二面５ｂ側に露出している第一ヒートシンク４のＺ方向の長さｄ４を、ステム５の第二面５ｂ側に露出している給電ピン７の長さｄ７よりも長くするものとして構わない。かかる構成によれば、図６を参照して上述したように、給電基板１５を配置するための、アルミダイキャストなどの基台を介することなく、直接第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して接触させることができるため、排熱性が向上する。

［第三実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第三実施形態につき、上記各実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図１５は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図であり、図１と同様に、キャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。本実施形態の半導体レーザ光源装置１は、第一実施形態と比較して、給電ピン７がステム５の第二面５ｂからＺ方向に突出する長さが、第一ヒートシンク４の突出長さより長い点のみが異なる。

図１６は、図１５からキャップ１０及びミラー１２の図示を省略した図面である。なお、本実施形態の半導体レーザ光源装置１の平面図は、図４に示す第一実施形態の半導体レーザ光源装置１の平面図と共通であるため、図示を省略する。図１７は、本実施形態の半導体レーザ光源装置１において、図４内のＡ１−Ａ１線で切断したときの模式的な平面図であり、図５Ｂの表記方法にならって図示されたものである。

本実施形態の半導体レーザ光源装置１は、給電ピン７のステム５の第二面５ｂ側からＺ方向に突出する長さが長い。このため、第一実施形態及び第二実施形態において上述したように、Ｚ方向に関して、第一ヒートシンク４の−Ｚ方向に係る端面とステム５の第二面５ｂとの間の位置に給電基板１５を配置することができない。このため、半導体レーザ光源装置１は、例えば図１８に示すように、給電基板１５を配置するためのアルミダイキャストなどからなる基台３７を設け、基台３７に給電基板１５を取り付けるものとすることができる。なお、基台３７は、給電ピン７及び給電基板１５を配置するための凹部３７ａが設けられているものとしても構わない。

かかる構成の場合、基台３７の−Ｚ側の面に接触するように、第二ヒートシンク３１が配置される。

本実施形態においても、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図１７に示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。これにより、第一ヒートシンク４を基台３７に対して面接触しやすくなる。基台３７は、第二ヒートシンク３１よりは熱伝導率が低いため、第一実施形態の半導体レーザ光源装置１よりは排熱性が低下する。しかし、第一ヒートシンク４と基台３７との接触面積が低下すると、更に排熱性が低下してしまう。すなわち、本実施形態のように、給電ピン７の突出長さが長く、基台３７を備える構成である場合においても、第一ヒートシンク４のうち、ステム５の第一面５ａ側を接合材６によってステム５に対して固定し、ステム５の第二面５ｂ側は接合材６を設けずにステム５に対して非固定とすることで、排熱性が高められる。

［第四実施形態］
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第四実施形態につき、上記各実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図１９は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図であり、図１と同様に、キャップ１０の一部が切断された状態で図示されている。本実施形態の半導体レーザ光源装置１は、第二実施形態と比較して、給電ピン７がステム５の第二面５ｂからＺ方向に突出する長さが、第一ヒートシンク４の突出長さより長い点のみが異なる。

図２０は、図１９からキャップ１０の図示を省略した図面である。なお、本実施形態の半導体レーザ光源装置１の平面図は、図１３に示す第二実施形態の半導体レーザ光源装置１の平面図と共通であるため、図示を省略する。図２１は、本実施形態の半導体レーザ光源装置１において、図１３内のＡ２−Ａ２線で切断したときの模式的な平面図であり、図５Ｂの表記方法にならって図示されたものである。

本実施形態においても、第三実施形態と同様に、給電ピン７のステム５の第二面５ｂ側からＺ方向に突出する長さが長いため、第三実施形態と同様に、給電基板１５を配置するためのアルミダイキャストなどからなる基台３７を設け、基台３７に給電基板１５を取り付けるものとすることができる。

本実施形態においても、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して第一面５ａ側においてのみ接合材６によってステム５と接合されている。この結果、図２１に示すように、第一ヒートシンク４は、Ｚ方向に関して、接合材６によってステム５と固定された第一領域４ａと、ステム５に対して固定されていない第二領域４ｂとを有する。これにより、第一ヒートシンク４を基台３７に対して面接触しやすくなり、排熱性が高められる。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉上記実施形態では、第一貫通孔２１内において、ステム５の第一面５ａ側にのみ接合材６が設けられている構成について言及した。しかし、第一実施形態及び第二実施形態のように、第一ヒートシンク４が、ステム５の第二面５ｂに対してＺ方向に大きく突出する構成においては、当該突出している領域については、第一ヒートシンク４はステム５に対して固定されていない。このため、かかる構成においては、第一貫通孔２１内においてＺ方向に関して全体にわたって接合材６が設けられていても、加熱後の冷却工程において、第一ヒートシンク４及びステム５に対して、図８を参照して説明した応力と同様の応力が生じる。

つまり、かかる構成の下では、上述した実施形態と同様に、ステム５が−Ｚ側を凸にして反るため、第一ヒートシンク４を第二ヒートシンク３１に対して面接触させやすくなり、排熱性が向上する。

〈２〉上記実施形態では、第一貫通孔２１が、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して非対称な位置に形成されるものとして説明した。しかし、本発明において、第一貫通孔２１は、ステム５の面上において、Ｙ方向に関して対称な位置に形成されるものとしても構わない。すなわち、第一部分５１と第二部分５２は、Ｙ方向に関して同じ幅を有するものとしても構わない。この場合、２つの第二貫通孔２２は、第一部分５１と第二部分５２のどちら側に設けられていても構わない。

〈３〉上記実施形態では、２つの第二貫通孔２２が、第一貫通孔２１に対してＹ方向に係る外側に設けられるものとして説明した。しかし、図２２に示すように、２つの第二貫通孔２２が、第一貫通孔２１に対してＸ方向に係る外側に設けられるものとしても構わない。

〈４〉上記実施形態では、半導体レーザ素子２の第一ヒートシンク４の面上における設置位置に関し、ステム５のうちの、Ｙ方向に係る幅が広い第一部分５１に対して近い位置であるものとして説明した。しかし、本発明において、第一ヒートシンク４の面上における半導体レーザ素子２の設置位置は、上記内容に限定されない。例えば、上記各実施形態において、半導体レーザ素子２は、第一ヒートシンク４の面上のうち、ステム５のうちの、Ｙ方向に係る幅が狭い第二部分５２に対して近い位置に配置されるものとしても構わない。

〈５〉第一実施形態及び第二実施形態において、半導体レーザ光源装置１は、ステム５の第二面５ｂ側に給電基板１５を設け、第一ヒートシンク４を直接第二ヒートシンク３１に接触させる構成であるものとして説明した。しかし、これらの実施形態においても、第三実施形態及び第四実施形態で説明したように、半導体レーザ光源装置１が給電基板１５を設置するための基台３７を備え、第一ヒートシンク４が基台３７を介して第二ヒートシンク３１に対して接触される構成としても構わない。

〈６〉上記実施形態では、ステム５に設けられる第二貫通孔２２が２箇所であるものとして説明したが、３箇所以上に第二貫通孔２２が形成されていても構わない。

〈７〉上記実施形態では、半導体レーザ素子２がＸ方向に一列に配置されている場合について説明したが、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配置されているものとしても構わない。

１ ： 半導体レーザ光源装置
２ ： 半導体レーザ素子
３ ： サブマウント
４ ： 第一ヒートシンク
４ａ ： 第一ヒートシンクの第一領域
４ｂ ： 第一ヒートシンクの第二領域
５ ： ステム
５ａ ： ステムの第一面
５ｂ ： ステムの第二面
６ ： 接合材
７ ： 給電ピン
１０ ： キャップ
１０ａ ： 窓部
１２ ： ミラー
１３ ： 絶縁部材
１５ ： 給電基板
１６ ： ハンダ材
１８ ： ワイヤ
２１ ： 第一貫通孔
２２ ： 第二貫通孔
３１ ： 第二ヒートシンク
３３ ： 押さえ部材
３５ ： スペーサ
３７ ： 基台
３７ａ ： 凹部
５１ ： ステムの第一部分
５２ ： ステムの第二部分
１００ ： 従来の半導体レーザ光源装置
１０１ ： ステム
１０２ ： ヒートシンク
１０３ ： サブマウント
１０４ ： 半導体レーザ素子
１０５ ： 給電ピン
１１０ ： キャップ
１１０ａ ： 窓部
Ｌ２ ： レーザ光

Claims (7)

1. 第一面と、前記第一面に対して第一方向に向かい合って位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
   一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
   前記第一ヒートシンクの、前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した領域内の面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
   複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
   前記第一貫通孔内において、前記ステムの内壁と前記第一ヒートシンクの外壁との間に介在する接合材とを有し、
   前記第一ヒートシンクは、
   前記第一貫通孔内において、前記第一面側と前記第二面側とで同一形状を呈しており、
   前記第一貫通孔内の前記第一面側の位置において前記接合材によって前記ステムと固定された第一領域と、前記第一貫通孔内の前記第二面側の位置において前記ステムに対して固定されていない第二領域とを有することを特徴とする、半導体レーザ光源装置。
2. 第一面と、前記第一面に対して第一方向に向かい合って位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
   少なくとも一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
   前記第一ヒートシンクの、前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した領域内の面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
   複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
   前記第一貫通孔内において、前記ステムの内壁と前記第一ヒートシンクの外壁との間に介在する接合材とを有し、
   前記第一ヒートシンクは、
   前記第一貫通孔内において、前記第一面側と前記第二面側とで同一形状を呈しており、
   前記第一方向に関して前記第二面よりも前記第一貫通孔から外側に突出して配置され、
   前記第一貫通孔内の前記第一方向に係る全箇所において前記接合材によって前記ステムと固定された第一領域と、前記第一方向に関して前記第一領域よりも前記サブマウントから離れる側において前記第一貫通孔から外側に突出した位置で前記ステムに対して固定されていない第二領域とを有することを特徴とする、半導体レーザ光源装置。
3. 前記ステム内の前記第一貫通孔とは別の位置に形成された、前記第一面から前記第二面に達する第二貫通孔と、
   前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
   前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンと、
   前記第一ヒートシンクの前記第二領域と接触するように配置された第二ヒートシンクと、
   前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板とを有し、
   前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
4. 前記第一ヒートシンクの前記第二領域と接触するように配置された第二ヒートシンクと、
   前記第二ヒートシンクと前記ステムとを固定するための押さえ部材とを有す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光源装置。
5. 複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
   複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されてい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光源装置。
6. 前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
   複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
   複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向の双方に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
   前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換す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光源装置。
7. 前記第一金属材料は、鉄、鉄合金からなる群より選択された１種以上の材料であり、
   前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された１種以上の材料であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ光源装置。

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