WO2012050132A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2012050132A1
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heat sink
submount
fixed
expansion coefficient
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進人 影山
宮島　博文
菅　博文
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device provided with a heat sink.
  • Patent Document 1 Patent Document 1
  • Patent Document 2 Patent Document 3
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor laser module in which both sides of a semiconductor laser bar are sandwiched between metal submounts.
  • As the material of the submount Mo, W, Cu, Cu—W alloy, Cu—Mo alloy, SiC, or AlN can be used.
  • the thickness of each submount is 50 to 200 ⁇ m.
  • the semiconductor laser module is attached to a liquid-cooled heat sink. Thereby, it is possible to correct the warp of the semiconductor laser bar.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor laser device in which a semiconductor laser bar is attached on a heat sink and a reinforcing member made of a material having a small linear expansion coefficient is attached on the same surface as the attachment surface of the semiconductor laser bar in the heat sink. ing.
  • the material of the reinforcing member includes any one of Cu, Al, Ni, W, Mo, Fe, Cr, Co, and Bi.
  • Patent Document 3 discloses a semiconductor laser device in which a liquid-cooled heat sink is covered with a resin layer and a semiconductor laser bar is attached. This document discloses a structure capable of improving cooling efficiency and preventing corrosion and water leakage.
  • the warpage of the semiconductor laser module itself is suppressed by the submount.
  • the emission point position from the semiconductor laser module was arranged on a curved line slightly displaced from the design line, and a phenomenon of deterioration of the emission characteristic that the desired emission distribution could not be obtained was observed.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of suppressing deterioration of light emission characteristics.
  • the inventors of the present application intensively studied the cause of the characteristic deterioration of the semiconductor laser device. Since a Cu—W alloy having a small linear expansion coefficient is adopted as a pair of submounts and the semiconductor laser bar should be sandwiched using these, the emission point position should not be changed in principle.
  • recent high-quality liquid-cooled heat sinks have high cooling efficiency and are downsized.
  • the liquid-cooled heat sink can bend in the thickness direction when it expands and contracts. In this case, due to the difference in linear expansion coefficient between the laser module that should originally be highly rigid and the high-quality heat sink, stress is generated between them, and the heat sink is bent and deformed in the thickness direction.
  • the inventors of the present application have found that the deviation of the light emitting point position is caused by such a high performance heat sink.
  • a semiconductor laser device includes a semiconductor laser bar having a plurality of light emitting points arranged in a straight line, and a plate-like liquid having a thickness of 3 mm or less with a fluid passage formed therein.
  • a cooling heat sink a first submount made of a material fixed to one surface of the semiconductor laser bar and having a smaller linear expansion coefficient than the heat sink, and fixed to the heat sink; and a linear expansion coefficient fixed to the other surface of the semiconductor laser bar
  • the second submount made of a small material and a surface of the heat sink opposite to the mounting surface of the first submount, fixed at a position facing the first submount, and having a smaller linear expansion than the heat sink
  • a molybdenum reinforcing body having a coefficient and a thickness of 0.1 to 0.5 mm.
  • the liquid-cooled heat sink has high performance.
  • the difference in linear expansion coefficient from the laser module semiconductor laser bar + submount
  • the force to bend against the heat sink by the stress from the laser module side and the stress from the molybdenum reinforcement body side It tends to cancel out the force to bend.
  • the rigidity of the whole is improved by attaching the molybdenum reinforcement to the heat sink. Therefore, according to the semiconductor laser device of the present invention, the curvature of the heat sink is suppressed, the displacement of the light emitting point position is suppressed, and the deterioration of the light emission characteristics can be suppressed.
  • a molybdenum reinforcement body is a reinforcement body which has molybdenum as a main component (weight percent 80% or more), the same effect is acquired even if some impurities are mixed.
  • a semiconductor laser device is a semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser units are stacked.
  • Each semiconductor laser unit has a plate-like shape in which a fluid passage is formed.
  • a liquid-cooled heat sink including a semiconductor laser bar, a semiconductor laser module fixed on one side of the heat sink, and fixed at a position facing the semiconductor laser module on the other side of the heat sink, smaller than the heat sink
  • a molybdenum reinforcement body having a linear expansion coefficient and a thickness of 0.1 to 0.5 mm, and one surface of the molybdenum reinforcement body in one semiconductor laser unit is fixed to the heat sink of its own semiconductor laser unit.
  • the other surface is the semiconductor laser module of another semiconductor laser unit. Characterized in that it is fixed to Yuru.
  • the liquid-cooled heat sink has high performance.
  • the thickness is small, the difference in linear expansion coefficient from the laser module (semiconductor laser bar + submount) There is a tendency to bend.
  • the overall rigidity is remarkably improved by laminating the laser modules and fixing a molybdenum reinforcement having a small linear expansion coefficient on the opposite side of the laser modules.
  • the adhesive layer is disposed between the elements, and heat is simultaneously applied to fix them.
  • the overall rigidity is remarkably improved. Therefore, according to the semiconductor laser device of the present invention, the curvature of the heat sink is suppressed, the displacement of the light emitting point position is suppressed, and the deterioration of the light emission characteristics can be suppressed.
  • a molybdenum reinforcement body is a reinforcement body which has molybdenum as a main component (weight percent 80% or more), the same effect is acquired even if some impurities are mixed.
  • a semiconductor laser device is a semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser units are stacked.
  • Each semiconductor laser unit has a plate-like shape in which a fluid passage is formed.
  • a liquid-cooled heat sink including a semiconductor laser bar, a semiconductor laser module fixed on one side of the heat sink, and fixed at a position facing the semiconductor laser module on the other side of the heat sink, smaller than the heat sink
  • a molybdenum reinforcement body having a linear expansion coefficient and a thickness of 0.1 to 0.5 mm, and one surface of the molybdenum reinforcement body in one semiconductor laser unit is fixed to the heat sink of its own semiconductor laser unit.
  • the other surface is the semiconductor laser module of another semiconductor laser unit. Characterized in that it is fixed to Yuru.
  • the liquid-cooled heat sink has high performance.
  • the thickness is small, the difference in linear expansion coefficient from the laser module (semiconductor laser bar + submount) There is a tendency to bend.
  • the overall rigidity is remarkably improved by laminating the laser modules and fixing a molybdenum reinforcement having a small linear expansion coefficient on the opposite side of the laser modules.
  • the adhesive layer is disposed between the elements, and heat is simultaneously applied to fix them.
  • the overall rigidity is remarkably improved. Therefore, according to the semiconductor laser device of the present invention, the curvature of the heat sink is suppressed, the displacement of the light emitting point position is suppressed, and the deterioration of the light emission characteristics can be suppressed.
  • the semiconductor laser device of the present invention it is possible to suppress the deterioration of the light emission characteristics.
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser device.
  • FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of arrow II.
  • FIG. 3 is a front view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of arrow III.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the semiconductor laser device.
  • FIG. 5 is a perspective view of the semiconductor laser bar.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a liquid-cooled heat sink.
  • FIG. 7 is a front view of the semiconductor laser device in which the dimension in the width direction of the heat sink is increased.
  • FIG. 8 is a front view of a semiconductor laser device as a comparative example.
  • FIG. 9 is a perspective view of the semiconductor laser device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser device.
  • FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of arrow II.
  • FIG. 3 is a front view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of
  • FIG. 10 is a side view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of the arrow X.
  • FIG. 11 is a front view of the semiconductor laser device as viewed from the direction of arrow XI.
  • FIG. 12 is a perspective view of the semiconductor laser unit.
  • FIG. 13 is a side view of the semiconductor laser unit as seen from the direction of arrow XIII.
  • FIG. 14 is a front view of the semiconductor laser unit as seen from the direction of arrow XIV.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of the semiconductor laser unit.
  • FIG. 16 is a front view of the semiconductor laser device in which the dimension in the width direction of the heat sink is increased.
  • FIG. 17 is a front view of a semiconductor laser unit as a comparative example.
  • FIG. 1 is a perspective view of the semiconductor laser device
  • FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device viewed from the direction of arrow II
  • FIG. 3 is a front view of the semiconductor laser device viewed from the direction of arrow III.
  • the semiconductor laser device 10 includes a heat sink 1, a laser module 2 fixed to the heat sink 1, and a reinforcing body 3 fixed at a position facing the laser module 2 in the heat sink 1.
  • a covering member can be provided on the upper surface of the heat sink 1 via an adhesive layer. Such a covering member also has a function as a sealing material when a cooling medium such as water is introduced therein.
  • An O-ring or the like is disposed around the openings 1c2 and 1c3 as necessary.
  • the heat sink 1 is a plate-like liquid-cooled heat sink in which a fluid passage is formed. Further, since the thickness Z1 of the heat sink 1 is 3 mm or less, the heat sink 1 is allowed to bend in the thickness direction alone. The detailed structure of the heat sink 1 is shown in FIG.
  • the laser module 2 has a semiconductor laser bar 2b sandwiched between a first submount 2a and a second submount 2c.
  • the first submount 2a is fixed to the upper surface of the heat sink 1 via the adhesive layer t1, and is fixed to the semiconductor laser bar 2b via the adhesive layer t2.
  • the semiconductor laser bar 2 is fixed to the second submount 2c via the adhesive layer t3. That is, the first submount 2a is fixed to one surface of the semiconductor laser bar 2b, and the second submount 2c is fixed to the other surface of the semiconductor laser bar 2b.
  • the linear expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the material which comprises each submount 2b and 2c is smaller than the linear expansion coefficient of the heat sink 1, or a shape is plate shape (cuboid).
  • each submount 2a and 2c As the constituent material of the submounts 2a and 2c, Mo, W, Cu, Cu—W alloy, Cu—Mo alloy, SiC or AlN can be used, and the thickness of each submount should be 50 to 200 ⁇ m. it can.
  • the reinforcing body 3 is made of plate-like molybdenum (Mo), and is located on the surface opposite to the mounting surface of the first submount in the heat sink 1 at a position facing the first submount 2a via an adhesive layer t5. It has been fixed.
  • the constituent material of the reinforcing body 3 has a smaller linear expansion coefficient than that of the heat sink 1, and, unlike the submount, has a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • the molybdenum reinforcing body 3 is a reinforcing body containing molybdenum as a main component (weight percent of 80% or more), but the same effect can be obtained even if some impurities are mixed.
  • the Cu—W alloy has good thermal conductivity and is close in expansion coefficient to the semiconductor laser bar, so that it is convenient as a submount of the semiconductor laser bar.
  • the submount also requires an element as an electrode, it is made of a metal material for electrical conduction.
  • the alignment direction of the emission points is the Y axis (the longitudinal direction of the laser bar)
  • the thickness direction of the laser bar 2b is the Z axis
  • the laser beam emission direction is parallel to the X axis
  • the exemplary dimensions (preferable ranges) of each component are as follows.
  • X2b ⁇ X2. This is to secure an area for attaching the power supply line to the submount.
  • the adhesive layers t1, t2, t3, and t5 are all made of a solder material and each have a thickness Zt.
  • SnAgCu or AuSn can be used as the adhesive layer, but AuSn can be used at t2 and t3, and SnAgCu can be used at t1 and t5.
  • An exemplary dimension of the thickness Zt is 10 ⁇ m, and a preferred range is 3 to 20 ⁇ m. The effect of the above numerical range will be described. When the numerical range is 3 to 20 ⁇ m, there is an effect that the solder does not protrude and can be spread over and bonded uniformly.
  • the physical quantities of the liquid-cooled heat sink 1, the first submount 2a, the semiconductor laser bar 2b, the second submount 2c, and the molybdenum reinforcing body 3 are adjusted so that the curvature of the semiconductor laser bar is almost eliminated.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the semiconductor laser device.
  • the heat sink 1 has openings (through holes) 1c2 and 1c3 for introducing a cooling medium, which communicate with openings (through holes) of a covering member that can be provided on the heat sink 1. Also good.
  • the covering member is provided as needed, and can function as a sealing function for the cooling medium or as a spacer when incorporated in an external device.
  • the laser module 2 is disposed on the upper surface side of the heat sink 1 via an adhesive layer and the reinforcing body 3 is disposed on the rear surface side via an adhesive layer
  • heat and pressure along the Z-axis direction are simultaneously applied thereto. Apply and then fix them by cooling to room temperature.
  • the temperature may be such that the adhesive layer melts.
  • an appropriate covering member is disposed on the upper surface of the heat sink 1 via an adhesive layer, and is fixed by applying the same heat and pressure thereto.
  • FIG. 5 is a perspective view of the semiconductor laser bar.
  • the laser bar 2b has a plurality of light emitting points 2b2 arranged along a straight line on the Y axis.
  • the laser bar 2b is composed of the compound semiconductor substrate 2b1, and an active layer is present at the position of the light emitting point 2b2, and a clad layer is located on both sides thereof.
  • Known compound semiconductor materials include GaN, AlGaAs, GaN, AlGaN, and mixed crystals containing In.
  • the laser bar 2b is mainly composed of GaAs, the active layer further contains In, and the clad layers located on both sides thereof further contain Al. Since GaAs and Cu—W alloy have close thermal expansion coefficients, the stress between the submount and the laser bar is small.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a liquid cooling heat sink.
  • the heat sink 1 is formed by laminating and fixing three metal (Cu in this example) plate-like members 1a1, 1b1, and 1c1.
  • the lowermost plate-like member 1a1 has two openings (through holes) 1a2 and 1a3 and a recess 1a4 that forms a fluid flow path together with the lower surface of the upper plate-like member 1b1.
  • the recess 1a4 is continuous with the opening 1a3.
  • the central plate-like member 1b1 has two openings (through holes) 1b2 and 1b3 and a plurality of through holes 1b4 constituting a fluid flow path.
  • the through hole 1b4 is located at a position facing the recess 1a4.
  • the upper plate-like member 1c1 has two openings (through holes) 1c2, 1c3 and a recess 1c4 that forms a fluid flow path together with the upper surface of the lower plate-like member 1b1.
  • the recess 1c4 is continuous with the opening 1c2, and is not continuous with the opening 1c3.
  • the cooling medium When the cooling medium is introduced into the heat sink 1 along the arrow W1 from the bottom to the top, it can pass through the open aperture groups 1a3, 1b3, 1c3 and escape to the top, as indicated by the arrow W2. As described above, the opening 1c2 can be reached through the fluid flow path defined by the recess 1a4, the through hole 1b4, and the recess 1c4. The cooling medium introduced into the heat sink 1 along the arrow W3 from the opening 1c2 can also escape downward through the open aperture groups 1c2, 1b2, 1a2.
  • a plate-shaped member consists of metals, such as Cu, the surface is coat
  • FIG. 7 is a front view of the semiconductor laser device in which the dimension in the width direction of the heat sink is increased.
  • the Y-direction length Y1 of the heat sink 1 coincides with the Y-direction length Y3 of the reinforcing body 3, but this may be larger than Y3 as shown in FIG. Moreover, you may make the X direction length of the heat sink 1 larger than the thing of the said embodiment. Even in this case, there is an effect similar to the above embodiment.
  • FIG. 8 is a front view of a semiconductor laser device as a comparative example.
  • the attachment position of the reinforcing body 3 is changed to both sides of the upper surface of the heat sink 1 to form the reinforcing body 3Z.
  • Other structures in the comparative example are the same as those shown in FIG.
  • the liquid-cooled heat sink such as the above-described water-cooled heat sink has high performance. However, when the thickness is small, the liquid-cooled heat sink tends to bend due to a difference in linear expansion coefficient from the laser module 2.
  • the stress from the laser module 2 side is applied to the heat sink 1 by fixing the molybdenum reinforcement body 3 having a small linear expansion coefficient on the opposite side to the laser module 2.
  • the force that tends to bend due to (the force indicated by the arrow F2) and the force that tends to bend due to the stress from the reinforcing body 3 side (the force indicated by the arrow F3) tend to cancel each other.
  • the reinforcing body 3 by attaching the reinforcing body 3 to the heat sink 1, the overall rigidity is also improved. Therefore, according to the semiconductor laser device 10 of the embodiment, the curvature of the heat sink 1 is suppressed, the displacement of the light emitting point position is suppressed, and the deterioration of the light emission characteristics can be suppressed.
  • the amount of curvature of the heat sink 1 could be 1.5 ⁇ m or less with good reproducibility, and a semiconductor laser device capable of suppressing deterioration of light emission characteristics could be manufactured.
  • FIG. 9 is a perspective view of a semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser units 10 are stacked
  • FIG. 10 is a side view of the semiconductor laser device viewed from the direction of arrow X
  • FIG. 11 is a side view of the semiconductor laser device from the direction of arrow XI.
  • This semiconductor laser device is a so-called semiconductor laser stack, in which a plurality of semiconductor laser units 10 are stacked along the Z axis. In the figure, an example in which three semiconductor laser units 10 are stacked is shown, but two or four or more semiconductor laser units 10 may be stacked.
  • each semiconductor laser unit 10 includes a heat sink 1, a semiconductor laser module 2, and a reinforcing body 3 made of molybdenum. , And a spacer 4 having a fluid passage inside.
  • the heat sink 1 is a plate-like liquid-cooled heat sink having a fluid passage formed therein, and has a rigidity capable of bending in the thickness direction as a single unit.
  • the semiconductor laser module 2 includes a semiconductor laser bar 2 b at the center, and is fixed to the upper surface (one surface) side of the heat sink 1.
  • the reinforcing body 3 is fixed at a position facing the semiconductor laser module 2 on the lower surface (other surface) side of the heat sink 1, but has a smaller linear expansion coefficient than the heat sink 1.
  • the thickness of each reinforcing member 3 is 0.1 to 0.5 mm.
  • Each unit 10 is reinforced with molybdenum and curving is suppressed, but the units 10 are stacked and pressurized. Note that the units 10 are not joined by solder but are in contact by pressing from above.
  • the own heat sink 1 When attention is paid to the semiconductor laser units 10 at both ends, the own heat sink 1 has stress caused by the difference in thermal expansion coefficient with the lower reinforcing body 3 and stress caused by the difference in thermal expansion coefficient with the upper laser module 2. Since it takes the same direction and the same size, the structure as a whole cancels out stress. Therefore, also in the semiconductor laser modules 10 at both ends, the bending due to the bending of the heat sink 1 is suppressed.
  • a conductive adhesive layer may be interposed between the reinforcing member 3 of the semiconductor laser unit 10 and the submount 2c positioned below the reinforcing body 3, but in this example, Are in contact.
  • the material of such an adhesive layer is the same as the material of other adhesive layers t1 and the like.
  • the elements located on both sides of the adhesive layer are preferably fixed by applying heat simultaneously after laminating them from the viewpoint of reducing distortion during cooling.
  • the units 10 can be bonded to each other via the adhesive layer.
  • the spacer 4 is interposed between the semiconductor laser units 10 and is made of a metal or an insulator. When made of a metal such as Cu, a short circuit between the semiconductor laser units 10 can be prevented by using an insulating material for the adhesive layer with the heat sink 1, but when made of an insulator such as glass or ceramic, the bonding is possible. There is no limit to the material of the layer.
  • the spacer 4 is made of silicone resin (rubber), and no adhesive layer is interposed between the spacer 4 and the heat sink.
  • a drive current may be supplied between the submount 2c that is the upper electrode and the submount 2a that is the lower electrode. Since each submount is electrically connected via the reinforcing body 3, in principle, a drive voltage is applied between the uppermost submount 2c and the lowermost submount 2a in the entire stack. For example, a current is supplied to all of the semiconductor laser bars 2b positioned between them, and a plurality of laser beams are emitted in the ⁇ X direction from the two-dimensional light emission points in the semiconductor laser bars 2b.
  • Each heat sink 1 has two through holes 1c2 and 1c3 extending in the thickness direction, which communicate with the through holes 42 and 43 of the spacer 4, respectively.
  • the cooling medium introduced along the arrow W1 from the lowermost through hole 1c3 passes through the fluid passage in the heat sink 1 and the through hole 43 of the spacer 4 as shown by the arrows W2 and W1. It can escape into the upper heat sink 1 and the through hole 1c3, and can pass through the fluid passage inside the heat sink 1 into the through hole 1c2.
  • Most of the cooling medium introduced from the uppermost through-hole 1c2 along the arrow W3 can pass through the group of through-holes communicating therewith to the lowermost through-hole 1c2.
  • O-rings R2 and R3 are arranged on the upper and lower surfaces of the heat sink 1 and the upper surface of the spacer 4 so as to surround the through holes 1c2, 1c3, 42, and 43 (see FIG. 10). It is preferable to improve the sealing performance between the contacting members.
  • FIG. 12 is a perspective view of the semiconductor laser unit
  • FIG. 13 is a side view of the semiconductor laser unit viewed from the arrow XIII direction
  • FIG. 14 is a front view of the semiconductor laser unit viewed from the arrow XIV direction.
  • the semiconductor laser unit is disposed on the heat sink 1, the laser module 2 fixed to the heat sink 1, the reinforcing body 3 fixed to the heat sink 1 at a position facing the laser module 2, and the upper surface of the heat sink 1.
  • a spacer 4 fixed so as not to move with the pressure of.
  • the spacer 4 also has a function as a sealing material when a cooling medium such as water is introduced therein, and an O-ring or the like is disposed around the openings 42 and 43 provided in the member 4 as necessary. .
  • the heat sink 1 is a plate-like liquid-cooled heat sink in which a fluid passage is formed. Further, since the thickness Z1 of the heat sink 1 is 3 mm or less, the heat sink 1 is allowed to bend in the thickness direction alone. The detailed structure of the heat sink 1 is shown in FIG.
  • the laser module 2 has a semiconductor laser bar 2b sandwiched between a first submount 2a and a second submount 2c.
  • the first submount 2a is fixed to the upper surface of the heat sink 1 via the adhesive layer t1, and is fixed to the semiconductor laser bar 2b via the adhesive layer t2.
  • the semiconductor laser bar 2 is fixed to the second submount 2c via the adhesive layer t3. That is, the first submount 2a is fixed to one surface of the semiconductor laser bar 2b, and the second submount 2c is fixed to the other surface of the semiconductor laser bar 2b.
  • the linear expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the material which comprises each submount 2b and 2c is smaller than the linear expansion coefficient of the heat sink 1, or a shape is plate shape (cuboid).
  • each submount 2a and 2c As the constituent material of the submounts 2a and 2c, Mo, W, Cu, Cu—W alloy, Cu—Mo alloy, SiC or AlN can be used, and the thickness of each submount should be 50 to 200 ⁇ m. it can.
  • the reinforcing body 3 is made of plate-like molybdenum (Mo), and is located on the surface opposite to the mounting surface of the first submount in the heat sink 1 at a position facing the first submount 2a via an adhesive layer t5. It has been fixed.
  • the constituent material of the reinforcing body 3 has a smaller linear expansion coefficient than that of the heat sink 1, and, unlike the submount, has a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • the molybdenum reinforcing body 3 is a reinforcing body containing molybdenum as a main component (weight percent of 80% or more), but the same effect can be obtained even if some impurities are mixed.
  • the Cu—W alloy has good thermal conductivity and is close in expansion coefficient to the semiconductor laser bar, so that it is convenient as a submount of the semiconductor laser bar.
  • the submount also requires an element as an electrode, it is made of a metal material for electrical conduction.
  • an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is set, the alignment direction of the light emitting points is the Y axis (the longitudinal direction of the laser bar), the thickness direction of the laser bar 2b is the Z axis, and the laser beam emission direction is parallel to the X axis.
  • the exemplary dimensions (preferable range) of each component are as described above.
  • the X-axis direction dimension X4 of the spacer 4 is smaller than the dimension X1-X2
  • the Y-axis direction dimension Y4 coincides with Y3
  • the Z-axis direction dimension Z4 is set larger than Z2.
  • the adhesive layers t1, t2, t3, and t5 are all made of a solder material and each have a thickness Zt.
  • SnAgCu or AuSn can be used as the adhesive layer, but AuSn can be used at t2 and t3, and SnAgCu can be used at t1 and t5.
  • An exemplary dimension of the thickness Zt is 10 ⁇ m, and when the spacer 4 is made of an insulator such as ceramic, the resin layer can have an adhesive layer such as a solder material interposed between the heat sink. Then, as the spacer 4, a silicone resin (rubber) is used, and it has a function of insulation and a sealing material.
  • a preferred range is 3 to 20 ⁇ m. The effect of the above numerical range will be described. When the numerical range is 3 to 20 ⁇ m, there is an effect that the solder does not protrude and can be spread over and bonded uniformly.
  • the physical quantities of the liquid-cooled heat sink 1, the first submount 2a, the semiconductor laser bar 2b, the second submount 2c, and the molybdenum reinforcing body 3 are adjusted so that the curvature of the semiconductor laser bar is almost eliminated.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the semiconductor laser unit.
  • the heat sink 1 has openings (through holes) 1c2 and 1c3 for introducing a cooling medium, which communicate with the openings (through holes) 42 and 43 of the spacer 4.
  • the spacer 4 is provided as necessary and has a sealing function for the cooling medium.
  • the spacer 4 is provided on the laser unit at the top, and this is provided as an external device. It can also function as a spacer for incorporation.
  • the laser module 2 is disposed on the upper surface side of the heat sink 1 via an adhesive layer and the reinforcing body 3 is disposed on the rear surface side via an adhesive layer
  • heat and pressure along the Z-axis direction are simultaneously applied thereto. Apply and then fix them by cooling to room temperature.
  • the temperature may be such that the adhesive layer melts.
  • the spacer 4 is disposed on the upper surface of the heat sink 1 through an adhesive layer, and is fixed by applying the same heat and pressure thereto.
  • This fixing can be performed simultaneously after all the constituent elements of the semiconductor laser unit 10 are stacked. In this case, since all stresses are simultaneously applied to each element in the fixing step, there is an advantage that distortion of each element is reduced.
  • the configuration of the semiconductor laser bar is as shown in FIG.
  • the exploded perspective configuration of the liquid-cooled heat sink is as shown in FIG.
  • FIG. 16 is a front view of the semiconductor laser unit in which the dimension in the width direction of the heat sink is increased.
  • the Y-direction length Y1 of the heat sink 1 coincides with the Y-direction length Y3 of the reinforcing body 3, but this may be larger than Y3 as shown in FIG. Moreover, you may make the X direction length of the heat sink 1 larger than the thing of the said embodiment. Even in this case, there is an effect similar to the above embodiment.
  • FIG. 17 is a front view of a semiconductor laser unit as a comparative example.
  • the liquid-cooled heat sink such as the above-described water-cooled heat sink has high performance. However, when the thickness is small, the liquid-cooled heat sink tends to bend due to a difference in linear expansion coefficient from the laser module 2.
  • the stress from the laser module 2 side is applied to the heat sink 1 by fixing the molybdenum reinforcing body 3 having a small linear expansion coefficient on the opposite side to the laser module 2.
  • the force that tends to bend due to (the force indicated by the arrow F2) and the force that tends to bend due to the stress from the reinforcing body 3 side (the force indicated by the arrow F3) tend to cancel each other.
  • the rigidity of the entire body is improved by attaching the reinforcing body 3 to the heat sink 1, and by adopting a stack structure in which simultaneous bonding is performed, the stress applied to the semiconductor laser bar from both the upper and lower sides is reduced. Has been.
  • the curvature of the heat sink 1 is suppressed, the displacement of the light emitting point position is suppressed, and the deterioration of the light emission characteristics can be suppressed.

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Abstract

　半導体レーザバー２を、液体冷却式のヒートシンク１に取り付ける。半導体レーザモジュール２の取り付け面とは反対側の面には、モリブデン補強体３が固定されている。モリブデンは、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有している。サブマウントは、Ｃｕ－Ｗ合金を用いることが好ましく、補強体３モリブデンを用いることが好ましい。この場合、伸縮時においてヒートシンク１に与える応力を相殺することができる。

Description

半導体レーザ装置
　本発明は、ヒートシンクを備えた半導体レーザ装置に関する。
　従来の半導体レーザ装置は、例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
　特許文献１には、半導体レーザバーの両面を金属製のサブマウントで挟んだ半導体レーザモジュールが開示されている。サブマウントの材料としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗ合金、Ｃｕ－Ｍｏ合金、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いることができる。各サブマウントの厚みは、５０～２００μｍである。この半導体レーザ装置においては、半導体レーザモジュールは、液体冷却式ヒートシンクに取り付けられている。これにより、半導体レーザバーの反りを矯正することが可能である。
　特許文献２には、ヒートシンクの上に半導体レーザバーを取り付けると共に、ヒートシンクにおける半導体レーザバーの取り付け面と同一の面上に、線膨張係数の小さな材料からなる補強部材を貼り付けた半導体レーザ装置が開示されている。補強部材の材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＢｉのいずれかを含んでいる。
　特許文献３には、液体冷却式ヒートシンクを樹脂層で被覆し、半導体レーザバーを取り付けた半導体レーザ装置が開示されている。この文献では、冷却効率を高めると共に、腐食や水漏れを防止可能な構造を開示している。
特開２００７－７３５４９号公報 特開２００７－７３５４９号公報 特許第４００２２３４号公報
　しかしながら、半導体レーザモジュールと高品質な液体冷却式ヒートシンクを組み合わせた場合、特に、複数の半導体レーザモジュールを用いて半導体レーザスタックを構成した場合、半導体レーザモジュール自体の反りは、サブマウントにより抑制されているはずなのに、半導体レーザモジュールからの発光点位置が、設計上の直線上から微妙に変位した曲線上に並び、目的の発光分布が得られなくなるという発光特性の劣化現象が観察された。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発光特性の劣化を抑制可能な半導体レーザ装置を目的とする。
　本願発明者らは、半導体レーザ装置の特性劣化の原因を鋭意検討した。線膨張係数の小さなＣｕ－Ｗ合金を一対のサブマウントとして採用し、これらを用いて半導体レーザバーを挟持しているはずであるから、発光点位置は原則的に変更されないはずである。しかしながら、近年の高品質な液体冷却型ヒートシンクは、冷却効率が高く、且つ、小型化されているが、厚みが薄いために、これ自体が伸縮する際に厚み方向にも撓むことができる。この場合、本来は剛性の高いはずのレーザモジュールと、高品質ヒートシンクの線膨張係数の差から、両者の間に応力が発生し、ヒートシンクが厚み方向に撓んで変形する。本願発明者らは、発光点位置のずれが、かかる高性能なヒートシンクに起因して生じていることを発見した。
　上述の問題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、直線上に配列された複数の発光点を有する半導体レーザバーと、内部に流体通路が形成された厚みが３ｍｍ以下の板状の液体冷却式のヒートシンクと、半導体レーザバーの一方面に固定されヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなりヒートシンクに固定された第１サブマウントと、半導体レーザバーの他方面に固定されヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなる第２サブマウントと、前記ヒートシンクにおける前記第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、前記第１サブマウントに対向する位置に、固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが０．１～０．５ｍｍのモリブデン補強体と、を備えることを特徴とする。
　本発明の半導体レーザによれば、液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、上述のように、厚みが薄い場合には、レーザモジュール（半導体レーザバー＋サブマウント）との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。しかしながら、レーザモジュールとは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体を固定することで、ヒートシンクに対して、レーザモジュール側からの応力によって湾曲しようとする力と、モリブデン補強体側からの応力によって湾曲しようとする力とか相殺される傾向となる。また、モリブデン補強体をヒートシンクに取り付けることで、全体の剛性も向上する。したがって、本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
　なお、モリブデン補強体とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
　上述の問題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザユニットを積層してなる半導体レーザ装置において、個々の半導体レーザユニットは、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクと、半導体レーザバーを含み、前記ヒートシンクの一方面側に固定された半導体レーザモジュールと、前記ヒートシンクの他方面側における前記半導体レーザモジュールに対向する位置に固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが０．１～０．５ｍｍのモリブデン補強体と、を備え、１つの前記半導体レーザユニットにおける前記モリブデン補強体の一方面は、自身の半導体レーザユニットの前記ヒートシンクに固定され、他方面は、別の半導体レーザユニットの前記半導体レーザモジュールに固定されていることを特徴とする。
　本発明の半導体レーザによれば、液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、上述のように、厚みが薄い場合には、レーザモジュール（半導体レーザバー＋サブマウント）との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。しかしながら、レーザモジュールを積層した上で、レーザモジュールとは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体を固定することで、全体の剛性が著しく向上することが判明した。特に、全ての半導体レーザユニットを積層した上で、要素間に熱的に溶融する接着層を有する場合には、各要素間に接着層を配置した上で、同時に熱をかけてこれらを固定する場合、全体の剛性が著しく向上する。したがって、本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
　なお、モリブデン補強体とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
　上述の問題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザユニットを積層してなる半導体レーザ装置において、個々の半導体レーザユニットは、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクと、半導体レーザバーを含み、前記ヒートシンクの一方面側に固定された半導体レーザモジュールと、前記ヒートシンクの他方面側における前記半導体レーザモジュールに対向する位置に固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが０．１～０．５ｍｍのモリブデン補強体と、を備え、１つの前記半導体レーザユニットにおける前記モリブデン補強体の一方面は、自身の半導体レーザユニットの前記ヒートシンクに固定され、他方面は、別の半導体レーザユニットの前記半導体レーザモジュールに固定されていることを特徴とする。
　本発明の半導体レーザによれば、液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、上述のように、厚みが薄い場合には、レーザモジュール（半導体レーザバー＋サブマウント）との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。しかしながら、レーザモジュールを積層した上で、レーザモジュールとは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体を固定することで、全体の剛性が著しく向上することが判明した。特に、全ての半導体レーザユニットを積層した上で、要素間に熱的に溶融する接着層を有する場合には、各要素間に接着層を配置した上で、同時に熱をかけてこれらを固定する場合、全体の剛性が著しく向上する。したがって、本発明の半導体レーザ装置によれば、ヒートシンクの湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
　本発明の半導体レーザ装置によれば、発光特性の劣化を抑制することができる。
図１は半導体レーザ装置の斜視図である。 図２は半導体レーザ装置を矢印ＩＩ方向から見た側面図である。 図３は半導体レーザ装置を矢印ＩＩＩ方向から見た正面図である。 図４は半導体レーザ装置の分解斜視図である。 図５は半導体レーザバーの斜視図である。 図６は液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。 図７はヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザ装置の正面図である。 図８は比較例となる半導体レーザ装置の正面図である。 図９は半導体レーザ装置の斜視図である。 図１０は半導体レーザ装置を矢印Ｘ方向から見た側面図である。 図１１は半導体レーザ装置を矢印ＸＩ方向から見た正面図である。 図１２は半導体レーザユニットの斜視図である。 図１３は半導体レーザユニットを矢印ＸＩＩＩ方向から見た側面図である。 図１４は半導体レーザユニットを矢印ＸＩＶ方向から見た正面図である。 図１５は半導体レーザユニットの分解斜視図である。 図１６はヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザ装置の正面図である。 図１７は比較例となる半導体レーザユニットの正面図である。
　以下、実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、半導体レーザ装置の斜視図、図２は、半導体レーザ装置を矢印ＩＩ方向から見た側面図、図３は半導体レーザ装置を矢印ＩＩＩ方向から見た正面図である。
　この半導体レーザ装置１０は、ヒートシンク１と、ヒートシンク１に固定されたレーザモジュール２と、ヒートシンク１におけるレーザモジュール２に対向する位置に固定された補強体３とを備えており、必要に応じて、ヒートシンク１の上面に接着層を介して被覆部材を備えることができる。このような被覆部材は、内部に水等の冷却媒体を導入する場合のシール材としての機能も有している。必要に応じて開口１ｃ２，１ｃ３の周囲にＯリングなどを配置する。
　ヒートシンク１は、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクである。また、ヒートシンク１の厚みＺ１は３ｍｍ以下であるため、単体では、厚み方向に湾曲することを許容している。ヒートシンク１の詳細構造は、後述の図６に示されている。
　レーザモジュール２は、第１サブマウント２ａと、第２サブマウント２ｃとの間に、半導体レーザバー２ｂを挟んでいる。第１サブマウント２ａは、接着層ｔ１を介して、ヒートシンク１の上面に固定されており、且つ、接着層ｔ２を介して、半導体レーザバー２ｂに固定されている。また、半導体レーザバー２は、接着層ｔ３を介して、第２サブマウント２ｃに固定されている。すなわち、半導体レーザバー２ｂの一方面には第１サブマウント２ａが固着され、半導体レーザバー２ｂの他方面には第２サブマウント２ｃが固着されている。なお、それぞれのサブマウント２ｂ，２ｃを構成する材料の線膨張係数（熱膨張係数）は、ヒートシンク１の線膨張係数よりも小さく、又は、形状は板状（直方体）である。
　サブマウント２ａ，２ｃの構成材料としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗ合金、Ｃｕ－Ｍｏ合金、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いることができ、各サブマウントの厚みは、５０～２００μｍとすることができる。
　補強体３は、板状のモリブデン（Ｍｏ）からなり、ヒートシンク１における第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、第１サブマウント２ａに対向する位置に、接着層ｔ５を介して、固定されている。補強体３の構成材料は、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有しており、また、サブマウントと異なり、厚みが０．１～０．５ｍｍの範囲にある。なお、モリブデン補強体３とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
　ここで、サブマウントは、Ｃｕ－Ｗ合金を用いることが好ましく、補強体３モリブデンを用いることが好ましい。その理由としては、１つには、伸縮時においてヒートシンク１に与える応力を相殺する効果があることであるが、その他に、以下の効果があるからである。すなわち、Ｃｕ－Ｗ合金は熱伝導がよく、また半導体レーザバーと膨張率が近いため、半導体レーザバーのサブマウントとしては好都合である。また、サブマウントには、電極としての要素も必要なため、電気的導通を行わせるたにも、これは金属材料から構成される。
　ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、発光点の整列方向をＹ軸（レーザバーの長手方向）とし、レーザバー２ｂの厚み方向をＺ軸とし、レーザ光の出射方向がＸ軸に平行であるとすると、各構成要素の例示寸法（好適範囲）は、以下の通りである。
（１）ヒートシンク１の寸法
Ｘ方向長Ｘ１：３０ｍｍ（１０ｍｍ～３０ｍｍ）
Ｙ方向長Ｙ１（本例では＝Ｙ３）：１２ｍｍ（１０ｍｍ～１２ｍｍ）
Ｚ方向長Ｚ１：１．１ｍｍ（１ｍｍ～３ｍｍ）
（２）半導体レーザモジュール２の寸法
Ｘ方向長Ｘ２：２ｍｍ（１ｍｍ～５ｍｍ）
Ｙ方向長Ｙ２（本例では＝Ｙ３）：１０ｍｍ（５ｍｍ～１２ｍｍ）
Ｚ方向長Ｚ２：４５０μｍ（３００μｍ～６００μｍ）
サブマウント２ａの厚みＺ３ａ：１５０μｍ（１００μｍ～３００μｍ）
サブマウント２ａのＸ方向長＝Ｘ２
サブマウント２ａのＹ方向長＝Ｙ２（＝Ｙ３）
サブマウント２ｃの厚みＺ３ｃ：１５０μｍ（１００μｍ～３００μｍ）
サブマウント２ｃのＸ方向長＝Ｘ２サブマウント２ｃのＹ方向長＝Ｙ２（＝Ｙ３）
半導体レーザバー２ｂの厚みＺ３ｃ：１４０μｍ（１００μｍ～１５０μｍ）
半導体レーザバー２ｂのＸ方向長Ｘ２ｂ：２ｍｍ（１ｍｍ～５ｍｍ）
　なお、本例では、Ｘ２ｂ＜Ｘ２である。これはサブマウントに電力供給線を取り付けるための領域を確保するためである。
半導体レーザバー２ｂのＹ方向長Ｙ２ｂ＝Ｙ２（＝Ｙ３）
（３）補強体３の寸法
Ｘ方向長Ｘ３：２ｍｍ（１ｍｍ～５ｍｍ）
Ｙ方向長Ｙ３：１０ｍｍ（５ｍｍ～１２ｍｍ）
Ｚ方向長Ｚ３：１５０μｍ（１００μｍ～５００μｍ）
　なお、接着層ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５は、全て半田材料からなり、それぞれ厚みＺｔを有する。接着層としてはＳｎＡｇＣｕ又はＡｕＳｎを用いることができるが、ｔ２，ｔ３ではＡｕＳｎを用い、ｔ１，ｔ５ではＳｎＡｇＣｕを用いることができる。厚みＺｔの例示寸法は１０μｍであり、好適範囲は３～２０μｍである。上述の数値範囲の効果について、説明すると、数値範囲が３～２０μｍの場合には、ハンダがはみ出さず、全体に行渡り、均一に接合できるという効果がある。
　ここで、液体冷却式のヒートシンク１、第１サブマウント２ａ、半導体レーザバー２ｂ、第２サブマウント２ｃ、及びモリブデン補強体３の物理量は、半導体レーザバーの湾曲がほぼ無くなるように調整する。
　図４は、半導体レーザ装置の分解斜視図である。
　ヒートシンク１は、冷却媒体を導入するための開口（貫通孔）１ｃ２，１ｃ３を有しているが、これはヒートシンク１上に設けることが可能な被覆部材の開口（貫通孔）に連通していてもよい。被覆部材は必要に応じて設けられるものであり、冷却媒体に対するシール機能や、外部装置に組み込む場合のスペーサとしても機能させることができる。
　ヒートシンク１の上面側に、レーザモジュール２を、接着層を介して配置し、裏面側に、補強体３を接着層を介して配置した後に、これらにＺ軸方向に沿った熱と圧力を同時にかけ、しかる後、室温まで冷却することで、これらを固定する。接着層が溶ける程度の温度でよい。必要に応じて、適当な被覆部材を、接着層を介して、ヒートシンク１の上面上に配置し、これに同様の熱と圧力をかけて、固定する。
　図５は、半導体レーザバーの斜視図である。
　レーザバー２ｂは、Ｙ軸の直線上に沿って配列された複数の発光点２ｂ２を有している。レーザバー２ｂは化合物半導体基板２ｂ１からなるものであり、発光点２ｂ２の位置には、活性層が存在しており、その両側には、クラッド層が位置している。化合物半導体の材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ或いはこれらにＩｎを含んだ混晶が知られている。本例では、レーザバー２ｂは、ＧａＡｓを主成分とし、活性層には更にＩｎが含まれ、その両側に位置するクラッド層にはＡｌが更に含まれているものとする。なお、ＧａＡｓとＣｕ－Ｗ合金は、熱膨張係数が近いので、サブマウント／レーザバー間の応力は小さい。
　ここで、高性能な液体冷却式のヒートシンク１について説明しておく。
　図６は、液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。
　ヒートシンク１は、３枚の金属製（本例ではＣｕ）の板状部材１ａ１，１ｂ１、１ｃ１を積層して固定してなる。
　最下部の板状部材１ａ１は、２つの開口（貫通孔）１ａ２，１ａ３と、上側の板状部材１ｂ１の下面と共に流体流路を構成する凹部１ａ４を有している。凹部１ａ４は、開口１ａ３に連続している。
　中央の板状部材１ｂ１は、２つの開口（貫通孔）１ｂ２，１ｂ３と、流体流路を構成する複数の貫通孔１ｂ４を有している。貫通孔１ｂ４は、凹部１ａ４に対向する位置に、位置している。
　上部の板状部材１ｃ１は、２つの開口（貫通孔）１ｃ２，１ｃ３と、下側の板状部材１ｂ１の上面と共に流体流路を構成する凹部１ｃ４を有している。凹部１ｃ４は、開口１ｃ２に連続しており、開口１ｃ３には連続していない。
　冷却媒体が下方から上方に向かう矢印Ｗ１に沿ってヒートシンク１内に導入されると、これは、連通した開口群１ａ３、１ｂ３、１ｃ３を通って、上部に抜けることもできるし、矢印Ｗ２で示されるように、凹部１ａ４、貫通孔１ｂ４、凹部１ｃ４で規定される流体流路を通って、開口１ｃ２に至ることもできる。開口１ｃ２から矢印Ｗ３に沿ってヒートシンク１内に導入された冷却媒体は、連通した開口群１ｃ２、１ｂ２、１ａ２を通って、下方に抜けることもできる。なお、板状部材は、Ｃｕなどの金属からなるが、その表面は、樹脂層により被覆されており、腐食が防止されている。
　図７は、ヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザ装置の正面図である。
　上述の説明では、ヒートシンク１のＹ方向長Ｙ１は、補強体３のＹ方向長Ｙ３に一致していたが、これは同図に示すように、Ｙ３よりも大きくてもよい。また、ヒートシンク１のＸ方向長を上記実施形態のものよりも大きくしてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様の効果がある。
　図８は、比較例となる半導体レーザ装置の正面図である。
　比較例では、図３に示した実施形態の半導体レーザ装置において、補強体３の取り付け位置を、ヒートシンク１の上面の両側に変更して補強体３Ｚとしたものである。比較例におけるその他の構造は、図３に示したものと同一である。
　上述の水冷ヒートシンクなどの液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、厚みが薄い場合には、レーザモジュール２との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。
　比較例の場合、ヒートシンク１の冷却時において、矢印Ｆ１方向に縮小する力が働くが、半導体レーザモジュール２は、線膨張係数がヒートシンク１よりも小さく、これには矢印Ｆ２方向に縮小する力働く。すなわち、線膨張係数の差により、上に凸に変形する傾向がある。もちろん、補強体３Ｚが固定されているため、ヒートシンク１の伸縮は、若干緩和されるが、全体的な変形は抑制することができない。
　一方、図３に示した実施形態のように、レーザモジュール２とは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体３を固定することで、ヒートシンク１に対して、レーザモジュール２側からの応力（矢印Ｆ２に示される力）によって湾曲しようとする力と、補強体３側からの応力（矢印Ｆ３に示される力）によって湾曲しようとする力とか相殺される傾向となる。また、補強体３をヒートシンク１に取り付けることで、全体の剛性も向上している。したがって、実施形態の半導体レーザ装置１０によれば、ヒートシンク１の湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
　また、上述の構造の場合、ヒートシンク１の変形が抑制されるので、ヒートシンク１からの水漏れを抑制することができる。また、レーザへの電力供給線（レーザ駆動時には、半導体レーザバーの上下サブマウント間に電力が供給される）をサブマウントに取り付けた場合、この供給線が外れるのを抑制することができる。また、レンズを半導体レーザ装置の前面に配置する場合、発光点位置がずれないので、高い精度の製品を製造することができる。上記例示した寸法で、半導体レーザ装置を作製した場合、再現性よくヒートシンク１の湾曲量を、１．５μｍ以下とすることができ、発光特性の劣化を抑制可能な半導体レーザ装置が作製できた。
　図９は、複数の半導体レーザユニット１０を積層してなる半導体レーザ装置の斜視図、図１０は、半導体レーザ装置を矢印Ｘ方向から見た側面図、図１１は半導体レーザ装置を矢印ＸＩ方向から見た正面図である。
　この半導体レーザ装置は、いわゆる半導体レーザスタックであり、複数の半導体レーザユニット１０をＺ軸に沿って積層してなる。同図では、３つの半導体レーザユニット１０を積層した例を示しているが、２又は４以上の半導体レーザユニット１０を積層することもできる。
　個々の半導体レーザユニット１０は、その詳細構造が図１２以降に示されているが、ヒートシンク１と、半導体レーザモジュール２と、モリブデンからなる補強体３を含んでおり、半導体レーザユニット１０間には、内部に流体通路を有するスペーサ４を備えている。
　ヒートシンク１は、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクであり、単体では厚み方向に湾曲することができる剛性を有している。半導体レーザモジュール２は、中央に半導体レーザバー２ｂを含んでおり、ヒートシンク１の上面（一方面）側に固定されている。補強体３は、ヒートシンク１の下面（他方面）側における半導体レーザモジュール２に対向する位置に固定されているが、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有している。個々の補強体３の厚みは、０．１～０．５ｍｍである。各ユニット１０は、モリブデンで補強され湾曲が抑制されているが、これのユニット１０を積層して加圧している。なお、ユニット１０同士はハンダでは接合せず、上からの加圧によって、接触している。
　１つのヒートシンク１の温度に応じた伸縮量は、低線膨張係数を有する補強体３によって制限されているので、ヒートシンク１自身が歪みにくいという利点がある。したがって、このヒートシンク１の歪みに起因して、半導体レーザユニット２が湾曲することが抑制される。もちろん、特に、上下方向の両端部以外に位置する半導体レーザユニット１０（例：中央の半導体レーザユニット）に着目すると、半導体レーザモジュール２に対しては、伸縮が抑制された下部のヒートシンク１と、上部の補強体３が接触することになるため、半導体レーザモジュール２自身の湾曲は著しく抑制される。
　両端の半導体レーザユニット１０に着目すると、自身のヒートシンク１には、下部の補強体３との熱膨張係数差に起因する応力と、上部のレーザモジュール２との熱膨張係数差に起因する応力が同一方向且つ、同等の大きさでかかるため、全体としては、応力が相殺される構造になっている。したがって、両端の半導体レーザモジュール１０においても、ヒートシンク１の湾曲に起因する湾曲が抑制される。
　また、半導体レーザユニット１０を積層する場合において、自身の補強体３と、その下に位置するサブマウント２ｃとの間に、導電性の接着層を介在させてもよいが、本例では、これらは接触しているものとする。このような接着層の材料は、その他の接着層ｔ１等の材料と同一である。接着層の両側に位置する要素は、冷却時の歪みを少なくするという観点から、これらを積層した後に同時に熱をかけて固定することが好ましい。もちろん、各ユニット１０をそれぞれ接着層ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５を用いて固定して完成させた後、ユニット１０同士を、接着層を介して接着することも可能である。
　スペーサ４は、半導体レーザユニット１０間に介在しているが、これは金属又は絶縁体からなる。Ｃｕなどの金属からなる場合にはヒートシンク１との接着層に絶縁材料を用いれば半導体レーザユニット１０間の短絡を防止することができるが、ガラスやセラミックなどの絶縁体からなる場合には、接着層の材料に制限はない。本例では、スペーサ４は、シリコーン樹脂（ゴム）からなり、ヒートシンクとの間に、接着層は介在していない。
　半導体レーザスタックを駆動する場合には、上部の電極であるサブマウント２ｃと、下部の電極であるサブマウント２ａとの間に駆動電流を供給すればよい。各サブマウントは、補強体３を介して電気的に接続されているので、原理的にはスタック全体における最上部のサブマウント２ｃと、最下部のサブマウント２ａとの間に駆動電圧を印加すれば、これらの間に位置する半導体レーザバー２ｂに全て電流が供給され、各半導体レーザバー２ｂにおける二次元状の発光点から、－Ｘ方向に向けて複数のレーザ光が出射される。
　各ヒートシンク１は、厚み方向に延びた２つの貫通孔１ｃ２，１ｃ３を有しており、これはスペーサ４の貫通孔４２，４３にそれぞれ連通している。最下部の貫通孔１ｃ３から矢印Ｗ１に沿って導入した冷却媒体は（図１０参照）、矢印Ｗ２及びＷ１で示すように、ヒートシンク１内の流体通路及びスペーサ４の貫通孔４３を通って、最上部のヒートシンク１及び貫通孔１ｃ３内に抜けることができ、また、ヒートシンク１の内部の流体通路を通って、貫通孔１ｃ２内に抜けることができる。最上部の貫通孔１ｃ２から矢印Ｗ３に沿って導入した冷却媒体は、多くはこれに連通した貫通孔群を通って、最下部の貫通孔１ｃ２に抜けることができる。
　また、必要に応じて、貫通孔１ｃ２，１ｃ３、４２、４３をそれぞれ囲むように、ヒートシンク１の上下面や、スペーサ４の上面にＯリングＲ２，Ｒ３を配置し（図１０参照）、これに接触する部材間のシール性を高めることとすることが好ましい。
　次に、個々の半導体レーザユニット１０の構造について説明する。
　図１２は、半導体レーザユニットの斜視図、図１３は、半導体レーザユニットを矢印ＸＩＩＩ方向から見た側面図、図１４は半導体レーザユニットを矢印ＸＩＶ方向から見た正面図である。
　この半導体レーザユニットは、ヒートシンク１と、ヒートシンク１に固定されたレーザモジュール２と、ヒートシンク１におけるレーザモジュール２に対向する位置に固定された補強体３と、ヒートシンク１の上面に配置され、上からの圧力で動かないように固定されたスペーサ４とを備えている。スペーサ４は、内部に水等の冷却媒体を導入する場合のシール材としての機能も有しており、必要に応じて部材４に設けられた開口４２，４３の周囲にＯリングなどを配置する。
　ヒートシンク１は、内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクである。また、ヒートシンク１の厚みＺ１は３ｍｍ以下であるため、単体では、厚み方向に湾曲することを許容している。ヒートシンク１の詳細構造は、後述の図９に示されている。
　レーザモジュール２は、第１サブマウント２ａと、第２サブマウント２ｃとの間に、半導体レーザバー２ｂを挟んでいる。第１サブマウント２ａは、接着層ｔ１を介して、ヒートシンク１の上面に固定されており、且つ、接着層ｔ２を介して、半導体レーザバー２ｂに固定されている。また、半導体レーザバー２は、接着層ｔ３を介して、第２サブマウント２ｃに固定されている。すなわち、半導体レーザバー２ｂの一方面には第１サブマウント２ａが固着され、半導体レーザバー２ｂの他方面には第２サブマウント２ｃが固着されている。なお、それぞれのサブマウント２ｂ，２ｃを構成する材料の線膨張係数（熱膨張係数）は、ヒートシンク１の線膨張係数よりも小さく、又は、形状は板状（直方体）である。
　サブマウント２ａ，２ｃの構成材料としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗ合金、Ｃｕ－Ｍｏ合金、ＳｉＣ又はＡｌＮを用いることができ、各サブマウントの厚みは、５０～２００μｍとすることができる。
　補強体３は、板状のモリブデン（Ｍｏ）からなり、ヒートシンク１における第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、第１サブマウント２ａに対向する位置に、接着層ｔ５を介して、固定されている。補強体３の構成材料は、ヒートシンク１よりも小さな線膨張係数を有しており、また、サブマウントと異なり、厚みが０．１～０．５ｍｍの範囲にある。なお、モリブデン補強体３とは、モリブデンを主成分（重量パーセント８０％以上）とする補強体のことであるが、若干の不純物が混入していても同様の効果が得られる。
　ここで、サブマウントは、Ｃｕ－Ｗ合金を用いることが好ましく、補強体３モリブデンを用いることが好ましい。その理由としては、１つには、伸縮時においてヒートシンク１に与える応力を相殺する効果があることであるが、その他に、以下の効果があるからである。すなわち、Ｃｕ－Ｗ合金は熱伝導がよく、また半導体レーザバーと膨張率が近いため、半導体レーザバーのサブマウントとしては好都合である。また、サブマウントには、電極としての要素も必要なため、電気的導通を行わせるたにも、これは金属材料から構成される。
　なお、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、発光点の整列方向をＹ軸（レーザバーの長手方向）とし、レーザバー２ｂの厚み方向をＺ軸とし、レーザ光の出射方向がＸ軸に平行であるとすると、各構成要素の例示寸法（好適範囲）は、上述の通りである。なお、スペーサ４のＸ軸方向寸法Ｘ４は寸法Ｘ１－Ｘ２よりも小さく、Ｙ軸方向寸法Ｙ４はＹ３と一致し、Ｚ軸方向寸法Ｚ４はＺ２よりも大きく設定される。
　なお、接着層ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５は、全て半田材料からなり、それぞれ厚みＺｔを有する。接着層としてはＳｎＡｇＣｕ又はＡｕＳｎを用いることができるが、ｔ２，ｔ３ではＡｕＳｎを用い、ｔ１，ｔ５ではＳｎＡｇＣｕを用いることができる。厚みＺｔの例示寸法は１０μｍであり、なお、スペーサ４がセラミック等の絶縁体からなる場合には、樹脂層は半田材料などの接着層をヒートシンクとの間に介在させることができるが、本例では、スペーサ４としては、シリコーン樹脂（ゴム）を使用しており、絶縁性とシール材の役目を有している。好適範囲は３～２０μｍである。上述の数値範囲の効果について、説明すると、数値範囲が３～２０μｍの場合には、ハンダがはみ出さず、全体に行渡り、均一に接合できるという効果がある。
　ここで、液体冷却式のヒートシンク１、第１サブマウント２ａ、半導体レーザバー２ｂ、第２サブマウント２ｃ、及びモリブデン補強体３の物理量は、半導体レーザバーの湾曲がほぼ無くなるように調整する。
　図７は、半導体レーザユニットの分解斜視図である。
　ヒートシンク１は、冷却媒体を導入するための開口（貫通孔）１ｃ２，１ｃ３を有しているが、これはスペーサ４の開口（貫通孔）４２，４３に連通している。スペーサ４は必要に応じて設けられるものであり、冷却媒体に対するシール機能を有しているが、半導体レーザスタックの場合には、最上部にレーザユニット上にスペーサ４を設け、これを外部装置に組み込む場合のスペーサとしても機能させることもできる。
　ヒートシンク１の上面側に、レーザモジュール２を、接着層を介して配置し、裏面側に、補強体３を接着層を介して配置した後に、これらにＺ軸方向に沿った熱と圧力を同時にかけ、しかる後、室温まで冷却することで、これらを固定する。接着層が溶ける程度の温度でよい。必要に応じて、スペーサ４を、接着層を介して、ヒートシンク１の上面上に配置し、これに同様の熱と圧力をかけて、固定する。この固定においては、全ての半導体レーザユニット１０の構成要素を積み重ねたのち、同時に行うことができる。この場合には、固定工程において同時に全ての応力が各要素に加わるため、各要素の歪みが少なくなるという利点がある。すなわち、各要素３，１，２ａ，２ｂ，２ｃ，４間に接着層を配置した上で、同時に熱をかけてこれらを固定する場合、全体の剛性が著しく向上する。もちろん、個々のユニット１０ごとに、接着を行い、完成したユニット１０間にスペーサ４を介在させて、これらに圧力をかけるのみで、接着剤を用いずに固定することができる。湾曲しているユニット１０がスタックされると、隙間が生まれ、水漏れや導通不良が起こりやすいが、湾曲が抑えられたユニット１０であればスタックが容易で、上記のような不良が発生しにくいという利点がある。
　なお、半導体レーザバーの構成は、図５において示した通りである。
　液体冷却式のヒートシンクの分解斜視構成は、図６に示した通りである。
　図１６は、ヒートシンクの幅方向寸法を大きくした半導体レーザユニットの正面図である。
　上述の説明では、ヒートシンク１のＹ方向長Ｙ１は、補強体３のＹ方向長Ｙ３に一致していたが、これは同図に示すように、Ｙ３よりも大きくてもよい。また、ヒートシンク１のＸ方向長を上記実施形態のものよりも大きくしてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様の効果がある。
　図１７は、比較例となる半導体レーザユニットの正面図である。
　この比較例では、図１４に示した実施形態の半導体レーザユニットにおいて、補強体３の取り付け位置を、ヒートシンク１の上面の両側に変更して補強体３Ｚとしたものである。比較例におけるその他の構造は、図１４に示したものと同一である。
　上述の水冷ヒートシンクなどの液体冷却式ヒートシンクは高性能であるが、厚みが薄い場合には、レーザモジュール２との線膨張係数の差により、湾曲する傾向がある。
　比較例の場合、ヒートシンク１の冷却時において、矢印Ｆ１方向に縮小する力が働くが、半導体レーザモジュール２は、線膨張係数がヒートシンク１よりも小さく、これには矢印Ｆ２方向に縮小する力働く。すなわち、線膨張係数の差により、上に凸に変形する傾向がある。もちろん、補強体３Ｚが固定されているため、ヒートシンク１の伸縮は、若干緩和されるが、全体的な変形は抑制することができない。
　一方、図１４に示した実施形態のように、レーザモジュール２とは逆側に、線膨張係数の小さなモリブデン補強体３を固定することで、ヒートシンク１に対して、レーザモジュール２側からの応力（矢印Ｆ２に示される力）によって湾曲しようとする力と、補強体３側からの応力（矢印Ｆ３に示される力）によって湾曲しようとする力とか相殺される傾向となる。また、補強体３をヒートシンク１に取り付けることで、全体の剛性も向上しており、同時接着を行うスタック構造を採用することで、半導体レーザバーの上下両面方向からこれにかかる応力が小さくなるようにされている。したがって、実施形態の半導体レーザユニット１０をスタックした半導体レーザ装置によれば、ヒートシンク１の湾曲が抑制され、発光点位置の変位が抑制され、発光特性の劣化を抑制することができる。
　また、上述の構造の場合、ヒートシンク１の変形が抑制されるので、ヒートシンク１からの水漏れを抑制することができる。また、レーザへの電力供給線（レーザ駆動時には、半導体レーザバーの上下サブマウント間に電力が供給される）をサブマウントに取り付けた場合、この供給線が外れるのを抑制することができる。また、レンズを半導体レーザユニットの前面に配置する場合、発光点位置がずれないので、高い制度の製品を製造することができる。
　１０・・・半導体レーザ装置、１・・・ヒートシンク、２・・・半導体レーザモジュール、３・・・モリブデン補強体。
 

Claims (2)

  1. 　直線上に配列された複数の発光点を有する半導体レーザバーと、
    　内部に流体通路が形成された厚みが３ｍｍ以下の板状の液体冷却式のヒートシンクと、
    　前記半導体レーザバーの一方面に固定され前記ヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなり前記ヒートシンクに固定された第１サブマウントと、
    　前記半導体レーザバーの他方面に固定され前記ヒートシンクよりも線膨張係数の小さな材料からなる第２サブマウントと、
    　前記ヒートシンクにおける前記第１サブマウントの取り付け面とは反対側の面の、前記第１サブマウントに対向する位置に、固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが０．１～０．５ｍｍのモリブデン補強体と、
    を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 　複数の半導体レーザユニットを積層してなる半導体レーザ装置において、
    　個々の半導体レーザユニットは、
    　内部に流体通路が形成された板状の液体冷却式のヒートシンクと、
    　半導体レーザバーを含み、前記ヒートシンクの一方面側に固定された半導体レーザモジュールと、
    　前記ヒートシンクの他方面側における前記半導体レーザモジュールに対向する位置に固定され、ヒートシンクよりも小さな線膨張係数を有する厚みが０．１～０．５ｍｍのモリブデン補強体と、
    を備え、
    　１つの前記半導体レーザユニットにおける前記モリブデン補強体の一方面は、自身の半導体レーザユニットの前記ヒートシンクに固定され、他方面は、別の半導体レーザユニットの前記半導体レーザモジュールに固定されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
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