JP2004040021A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体レーザ素子からの集光を容易にし、而も半導体レーザ装置の小型化を図る。
【解決手段】複数の段差面５ａ，５ｂ，５ｃが形成されたヒートシンク６と、前記段差面毎に設けられた複数の半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃと該半導体レーザ素子の個々に対峙させて複数の第１のロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃを設け、該第１のロッドレンズを透過したレーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを前記第１のロッドレンズとは直交する方向に集光する第２のロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設けた。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置、特に半導体レーザ素子のマウント構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体レーザ装置に使用される発光素子としての半導体レーザ素子（半導体レーザダイオード（ＬＤ））は、低電力で高出力のレーザ光線を発するものとして普及している。更に、近年益々高出力のレーザ光線が要求されており、斯かる要求に応える為、複数の半導体レーザ素子を用い各半導体レーザ素子から発せられるレーザ光線を束ねることでレーザ光線の高出力化に応えている。又、半導体レーザ素子自体は微小なものであり、高出力のレーザ光線を射出することから発熱量も大きい。半導体レーザ素子は温度が高くなると出力が低下し、寿命も短くなる為、各半導体レーザ素子を適切に冷却することも要求されている。
【０００３】
図１０に於いて、従来の半導体レーザ装置１について説明する。
【０００４】
半導体レーザ素子２は通常、放熱板（以下ヒートシンク）３にハンダ、ペースト等により固着される。前記半導体レーザ素子２は上下両面が電極となっており、前記ヒートシンク３は前記半導体レーザ素子２の放熱器として機能すると共に電極として使用され、他方の電極としては前記半導体レーザ素子２の上面にワイヤ（図示せず）がボンディングされる。
【０００５】
前記ヒートシンク３、ワイヤを介して前記半導体レーザ素子２に電力が供給され、該半導体レーザ素子２が発光される。該半導体レーザ素子２の発光と共に該半導体レーザ素子２は発熱し、発熱は前記ヒートシンク３を介して放熱される。
【０００６】
上記した様に、近年益々高出力のレーザ光線が要求されており、１つの半導体レーザ素子２では出力に限界がある為、出力の増大に対して前記半導体レーザ素子２を複数用いることで高出力化の要求に対応している。
【０００７】
図１１は複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置４の概略を示している。
【０００８】
図１１中では３個の半導体レーザ素子２が横に並べられてヒートシンク３に固着された半導体レーザ装置４を示している。
【０００９】
該半導体レーザ装置４では前記ヒートシンク３が共通の電極となり、個々の半導体レーザ素子２にはそれぞれ電極としてのワイヤ（図示せず）がボンディングされている。複数の前記半導体レーザ素子２にヒートシンク３、ワイヤを介して個々に電力が供給され、前記個々の半導体レーザ素子２からレーザ光線が発せられる。輝度の高い高出力のレーザ光線とするには、前記個々の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をまとめる必要があり、従来では複数のレーザ光線をまとめる為の光学系が設けられている。斯かる光学系の一例としては、前記各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をそれぞれ光ファイバにより導き、更に光ファイバを束ねる等し、一本のレーザ光線として出力するものがあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置では、複数の半導体レーザ素子２が横に並べられて設けられる為高出力化に対応して半導体レーザ素子２の数が増えると半導体レーザ素子２の両端間の幅が大きくなり、又各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線の間隔も大きくなる。これらレーザ光線を束ねる有効な手段として光ファイバがあり、各半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線をそれぞれ光ファイバに入射させ、光ファイバを束ねるものである。光ファイバでレーザ光線を束ねる場合、光ファイバの取回しの為の占有空間が大きくなり、又束ねた光ファイバの径が大きくなる。この為、複数の半導体レーザ素子２を具備する半導体レーザ装置では設置上の制約が大きくなると共に束ねた光ファイバの径が大きくなり、束ねられたレーザ光線の光束断面も大きくなるという不具合があった。
【００１１】
又、複数の半導体レーザ素子と光ファイバとの光軸合わせの調整に細かい作業が必要となる問題もあった。
【００１２】
更に、上記した様に、従来の半導体レーザ装置では複数の半導体レーザ素子２から発せられるレーザ光線を細く束ねる為に複雑な光学系が必要であり、又複雑な光学系と半導体レーザ素子２が平面的に配設されることで、半導体レーザ装置の小型化が難しいという問題があり、又光学系に光ファイバを用いた場合、レーザ光線が光ファイバを通過する際に本来レーザ光線が持っている偏向方向が崩れてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は斯かる実情に鑑み、複数の半導体レーザ素子からの集光及び調整も容易にし、而も半導体レーザ装置の小型化が図れる半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の段差面が形成されたヒートシンクと、前記段差面毎に設けられた複数の半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子の個々に対峙させて複数の第１のロッドレンズを設け、該第１のロッドレンズを透過したレーザ光線を前記第１のロッドレンズとは直交する方向に集光する第２のロッドレンズを設けた半導体レーザ装置に係り、又前記第２のロッドレンズが前記第１のロッドレンズと同数設けられ、前記第１のロッドレンズ個々に対応させて設けられた半導体レーザ装置に係り、又前記複数の半導体レーザ素子からの複数のレーザ光線を個別に反射し、反射された複数のレーザ光線は同一面内にある様に反射する複数の反射面を有する反射部材を具備する半導体レーザ装置に係り、又前記第２のロッドレンズは前記反射部材の反射光軸上に設けられた半導体レーザ装置に係り、又前記段差面を横切り前記ヒートシンクに設けられた上ヒートシンクと、前記半導体レーザ素子の上面に設けられ前記上ヒートシンクを貫通する端子棒を設け、該端子棒は前記半導体レーザ素子の電極と前記上ヒートシンクへの熱伝達部材を兼ねる半導体レーザ装置に係り、又前記反射部材は結晶材料であり、反射面は研磨面又はへき界面である半導体レーザ装置に係り、又前記反射面には誘電体薄膜が形成されている半導体レーザ装置に係り、又前記反射面には特定の波長帯のみを反射する反射膜を備える半導体レーザ装置に係り、更に又前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ異なる波長を発し、前記第１のロッドレンズと第２のロッドレンズにより同一方向に平行光束とされる半導体レーザ装置に係るものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
先ず、図１〜図５は本発明の第１の実施の形態を示している。
【００１７】
本実施の形態では複数（図示では３個）の半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃが用いられる場合について説明する。
【００１８】
図５に示される様にヒートシンク６に段差面５ａ，５ｂ，５ｃが階段状に凹設され、前記ヒートシンク６の各段差面５ａ，５ｂ，５ｃに前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃが固着されている。該半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの前端面（発光面）は同一面（図示では前記ヒートシンク６の前端面）に位置している。
【００１９】
前記ヒートシンク６の前記段差面５ａ，５ｂ，５ｃの両側方に上面から前端面に掛渡って倒立Ｌ字形状のレンズ保持具７，７が固着されている。コリメートレンズである第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃを前記レンズ保持具７，７に掛渡して設ける。前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃはそれぞれ前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃと対向しており、又前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃは互いに平行であると共に前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの光軸に対して直交している。
【００２０】
前記ヒートシンク６の前端面に上面と平行にレンズ保持台９が突設され、該レンズ保持台９にコリメートレンズである３本の第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが立設されている。該第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは互いに平行であると共に前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃとそれぞれ直交している。
【００２１】
前記ヒートシンク６と対向する位置にミラー保持台１２が配設され、該ミラー保持台１２の上面に反射部材１３が固着される。該反射部材１３は前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃと対応する様に、３段の反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有し、各反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃは前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの光軸に対して所要の角度（図示では４５°の角度）で傾斜し、相互に平行となっている。
【００２２】
前記反射部材１３としては光学部材又はシリコンウェーハ等の結晶材料が用いられ、前記反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃは研磨面又はへき界面が使われる。該反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃには高反射率を得る為誘電体薄膜を形成しても良い。
【００２３】
尚、前記ヒートシンク６の裏面には図示しない電子冷凍素子（ＴＥＣ）が取付けられている。
【００２４】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃは発光エミッタが扁平であることから、射出されるレーザ光線の光束断面は楕円形状となり、又楕円形状は縦方向が短径で、横方向が長径となり、広がり角については縦方向が大きく、横方向が小さい。図示では前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃから発せられるレーザ光線の光束断面は横方向が長径の断面となっているので、前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃが前記第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃより屈折力が大きくなっている。
【００２５】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃが駆動され、レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃが発せられる。該レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃは先ず前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃにより短軸方向について平行光束とされ、次に前記第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃにより長軸方向が平行光束とされる。
【００２６】
該第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを透過した前記レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃは前記反射部材１３の各反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより直角方向に反射され、反射されたレーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃは同一面内にあり、本実施の形態では縦一列となる。
【００２７】
而して、反射されたレーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃは縦一列となり、前記段差面５ａ，５ｂ，５ｃの段差量を前記第２ロッドレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを通過したレーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃの光束の短軸径と略等しくすれば、該レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ全体の光束の径は小さくなり、更に集光させる場合の光学系、或は所要位置にレーザ光線を導く場合の光学系は小型のものでよくなる。
【００２８】
図６は第２の実施の形態を示すものである。
【００２９】
本第２の実施の形態では、１本の第２ロッドレンズ１１をミラー保持台１２に設け、レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃの光束断面の長軸方向については前記第２ロッドレンズ１１により１本の平行光束としたものである。
【００３０】
第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃを介在させ、且つ前記ミラー保持台１２をヒートシンク６に接近して設け、前記ミラー保持台１２の上面には前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃと対向する反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃを具備する反射部材１３が設けられている。該反射部材１３の反射光軸上に配置した前記第２ロッドレンズ１１を前記ミラー保持台１２に固着する。前記第２ロッドレンズ１１の光軸は前記レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃの光軸とそれぞれ直交する。
【００３１】
前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃより発せられたレーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃの光束は前記第１ロッドレンズ８ａ，８ｂ，８ｃにより短軸方向が平行光束とされ、前記反射面１３ａ，１３ｂ，１３ｃで反射された後、前記第２ロッドレンズ１１により長軸方向が平行光束とされる。
【００３２】
本第２の実施の形態では全体形状が小さくなると共に前記第２ロッドレンズ１１が１本でよくなり、構成も簡単になる。
【００３３】
図７に示す第３の実施の形態では、半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの冷却効果を高めたものである。
【００３４】
ヒートシンク６の上面に熱伝導率の高く且つ電気絶縁材料のシート、或は膜である絶縁材１５を介して上ヒートシンク１６を設ける。該上ヒートシンク１６は前記段差面５ａ，５ｂ，５ｃを横切る様に配置され、前記ヒートシンク６に対する熱的連続性が確保されている。前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの上面に高熱伝導性で且つ電導性を有する端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃを立設し、該端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃの上端部は前記上ヒートシンク１６を貫通して突出している。前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃの上端部と前記上ヒートシンク１６とはハンダ付け等の手段により電導性、熱伝導性が保証された手段で前記上ヒートシンク１６に固着される。
【００３５】
而して、前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃは前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの電力供給端子となると共に前記上ヒートシンク１６への熱伝達部材となる。
【００３６】
該上ヒートシンク１６は前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの共通した電極となり、前記ヒートシンク６と上ヒートシンク１６間に電力を供給することで、段差面５ａ，５ｂ，５ｃを発光させることができる。又、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの下面からの熱は、直接前記ヒートシンク６へ伝達され、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの上面からの熱は前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃ、上ヒートシンク１６及び絶縁材１５を介して前記ヒートシンク６に伝達され、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃは上下両面から冷却される。
【００３７】
図８に示す第４の実施の形態では、前記上ヒートシンク１６の代りに熱伝導率の高く且つ電気絶縁材料である上ヒートシンク１８を固着し、該上ヒートシンク１８の上面に熱伝導率の高く且つ導電材料である接点板１９を固着したものである。該接点板１９と前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃとをハンダ付け等の手段により電導性、熱伝導性が保証された手段で固着する。
【００３８】
前記ヒートシンク６と前記接点板１９とが前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの電力供給端子となり、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの下面からの発熱は直接前記ヒートシンク６に伝達され、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの上面からの熱は、前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃを介して前記上ヒートシンク１８に伝達され、又前記端子棒１７ａ，１７ｂ，１７ｃを介して前記接点板１９に伝達され、更に該接点板１９、上ヒートシンク１８を介して前記ヒートシンク６に伝達され、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃは上下両面から冷却される。
【００３９】
尚、上記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃは同一波長のレーザ光線を発するものを用いてもよく、或はそれぞれ赤色、緑色、青色の各色を発するものを用いてもよい。
【００４０】
更に、半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃの波長が異なる場合は、図９に示す様な反射部材２１を更に用いることで、レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを同一光軸上に束ねることができる。
【００４１】
前記反射部材２１は前記レーザ光線１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対応する反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃをそれぞれ具備し、前記反射面２１ａはレーザ光線１４ａの波長帯の光線のみを反射し、前記反射面２１ｂはレーザ光線１４ｂの波長帯の光線のみを反射し、前記反射面２１ｃはレーザ光線１４ｃの波長帯の光線、或は全ての波長帯の光線を反射する様に、各反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃの反射特性が設定されている。
【００４２】
前記反射面２１ｃで反射されたレーザ光線１４ｃは前記反射面２１ａ，２１ｂを透過し、前記反射面２１ｂで反射されたレーザ光線１４ｂは前記反射面２１ａを透過し、それぞれ前記反射面２１ａで反射されたレーザ光線１４ａと重合する。
【００４３】
而して、前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃを同一光軸とするレーザ光線に束ねることができると共に前記半導体レーザ素子２ａ，２ｂ，２ｃを光源とした白色光が得られる。
【００４４】
尚、上記段差面は２又は４以上とし、半導体レーザ素子も２又は４以上設けてもよい。又、前記ヒートシンク６とミラー保持台１２は一体ものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、複数の段差面が形成されたヒートシンクと、前記段差面毎に設けられた複数の半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子の個々に対峙させて複数の第１のロッドレンズを設け、該第１のロッドレンズを透過したレーザ光線を前記第１のロッドレンズとは直交する方向に集光する第２のロッドレンズを設けたので、レーザ光線を平行光束とする光学系が簡略化でき、複数の半導体レーザ素子からの集光を容易にし、而も半導体レーザ装置の小型化が図れる。
【００４６】
又、前記複数の半導体レーザ素子からの複数のレーザ光線を個別に反射し、反射された複数のレーザ光線は同一面内にある様に反射する複数の反射面を有する反射部材を具備するので、複数の半導体レーザ素子からの複数のレーザ光線を簡潔な構造で束ねることができる。
【００４７】
又、前記段差面を横切り前記ヒートシンクに設けられた上ヒートシンクと、前記半導体レーザ素子の上面に設けられ前記上ヒートシンクを貫通する端子棒を設け、該端子棒は前記半導体レーザ素子の電極と前記上ヒートシンクへの熱伝達部材を兼ねたので、複数の半導体レーザ素子を個々に効率よく冷却することができる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す右側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す正面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に於けるヒートシンクを示す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示し、半導体レーザ素子とヒートシンクとの関係を示す正面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を示し、半導体レーザ素子とヒートシンクとの関係を示す正面図である。
【図９】本発明の応用例を示し、図３と同方向から見た図である。
【図１０】従来例を示す概略斜視図である。
【図１１】他の従来例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１　　　　　半導体レーザ装置
２　　　　　半導体レーザ素子
５　　　　　段差面
６　　　　　ヒートシンク
８　　　　　第１ロッドレンズ
９　　　　　レンズ保持台
１１　　　　第２ロッドレンズ
１３　　　　反射部材
１４　　　　レーザ光線
１６　　　　上ヒートシンク
１７　　　　端子棒
２１　　　　反射部材

Claims (9)

1. 複数の段差面が形成されたヒートシンクと、前記段差面毎に設けられた複数の半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子の個々に対峙させて複数の第１のロッドレンズを設け、該第１のロッドレンズを透過したレーザ光線を前記第１のロッドレンズとは直交する方向に集光する第２のロッドレンズを設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記第２のロッドレンズが前記第１のロッドレンズと同数設けられ、前記第１のロッドレンズ個々に対応させて設けられた請求項１の半導体レーザ装置。
3. 前記複数の半導体レーザ素子からの複数のレーザ光線を個別に反射し、反射された複数のレーザ光線は同一面内にある様に反射する複数の反射面を有する反射部材を具備する請求項１の半導体レーザ装置。
4. 前記第２のロッドレンズは前記反射部材の反射光軸上に設けられた請求項３の半導体レーザ装置。
5. 前記段差面を横切り前記ヒートシンクに設けられた上ヒートシンクと、前記半導体レーザ素子の上面に設けられ前記上ヒートシンクを貫通する端子棒を設け、該端子棒は前記半導体レーザ素子の電極と前記上ヒートシンクへの熱伝達部材を兼ねる請求項１の半導体レーザ装置。
6. 前記反射部材は結晶材料であり、反射面は研磨面又はへき界面である請求項３の半導体レーザ装置。
7. 前記反射面には誘電体薄膜が形成されている請求項３の半導体レーザ装置。
8. 前記反射面には特定の波長帯のみを反射する反射膜を備える請求項３の半導体レーザ装置。
9. 前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ異なる波長を発し、前記第１のロッドレンズと第２のロッドレンズにより同一方向に平行光束とされる請求項１の半導体レーザ装置。

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