JP4305524B2 - Cooling device, semiconductor laser light source device, semiconductor laser light source unit, and solid-state laser device - Google Patents
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Description
本発明は一般に冷却装置に関するものであり、特に発熱密度の高い半導体レーザ素子を強制的に冷却するための冷却装置、かかる冷却装置を備えた半導体レーザ光源装置と半導体レーザ光源ユニット、および半導体レーザ光源ユニットの製造方法、ならびに固体レーザ装置に関するものである。 The present invention generally relates to a cooling device, and in particular, a cooling device for forcibly cooling a semiconductor laser element having a high heat generation density, a semiconductor laser light source device and a semiconductor laser light source unit including such a cooling device, and a semiconductor laser light source The present invention relates to a unit manufacturing method and a solid-state laser device.
半導体レーザ光源の主な用途として、大出力固体レーザの励起用光源が挙げられる。固体レーザの励起には、従来はキセノンランプ等の光源が利用されていたが、一般に出力波長はブロードなスペクトルを呈し、レーザ励起効率は低かった。 A main application of the semiconductor laser light source is a light source for exciting a high-power solid-state laser. Conventionally, a light source such as a xenon lamp has been used for excitation of the solid-state laser. However, in general, the output wavelength has a broad spectrum and the laser excitation efficiency is low.
キセノンランプ等の光源に代り、鋭い波長スペクトルを有する半導体レーザによって励起すると、固体レーザを高効率でレーザ発振させることが可能となる。大出力固体レーザの励起用光源として使用する半導体レーザ素子は、数十ワットレベルのレーザビームを出射する必要があるが、半導体レーザ素子の出力効率は現状で50%程度であり、このため、レーザ光出力とほぼ同等の発熱が生じる。したがって、安定なレーザ光出力を得るためには、半導体レーザ素子を効率良く冷却する冷却装置が不可欠である。 When excited by a semiconductor laser having a sharp wavelength spectrum instead of a light source such as a xenon lamp, a solid-state laser can be oscillated with high efficiency. A semiconductor laser element used as a pumping light source for a high-power solid-state laser needs to emit a laser beam of several tens of watts, but the output efficiency of the semiconductor laser element is currently about 50%. Heat generation is almost equivalent to the light output. Therefore, in order to obtain a stable laser beam output, a cooling device that efficiently cools the semiconductor laser element is indispensable.
図23は、米国特許第5105429号特許明細書に記載された従来の半導体レーザ素子を冷却する冷却装置の構成を示す。この冷却装置は、冷却液の流路が形成された下側および上側の薄板1および3を、ガラス等の絶縁体より構成される中間薄板2の上下に積層した構成となっている。
FIG. 23 shows a configuration of a cooling device for cooling a conventional semiconductor laser element described in US Pat. No. 5,105,429. The cooling device has a configuration in which lower and upper
薄板1には、冷却液の入口開口部1Aおよび出口開口部1Bが、さらに上側の薄板3には、冷却液の入口開口部3Aおよび出口開口部3Bが設けられている。薄板1の上面には一端が冷却液入口1Aに連通し、他端が前端面1aに向かって枝分かれして冷却液の流路となる流路1Cが形成され、さらに中間薄板2には、薄板1の冷却液入口1Aおよび冷却液出口1Bに対応して、冷却液の流路2A、2Bが形成されている。
The
上側薄板3の下面には、前端面3aに沿って、出口開口部3Bに連通して、流路1Cのピッチをさらに小さくしたマイクロチャネル(図示せず)が形成される。上側薄板3には、その上面に、前端面3aに沿うように半導体レーザアレイ4が接合されている。上述の図示されていないマイクロチャネルは上側薄板3の下面で、半導体レーザアレイ4の直下に形成されている。ここで半導体レーザアレイとは、個々の発光スポットを有する半導体レーザが横一列に連なりアレイ状になったものを言う。
On the lower surface of the upper
下側薄板1、中間薄板2および上側薄板3は積層された状態で、それぞれに形成された中央開口部1D〜3Dに挿通されたボルト・ナットにより固定される。半導体レーザアレイ4は直流電源等の駆動装置5により動作する。
The lower
従来の冷却装置では、単結晶シリコン(Si)基板が薄板1および3の構成材料として使用され、マイクロチャネル1Cおよび薄板3の図示されないマイクロチャネルは、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、典型的には幅が25μm、深さが125μmのサイズで形成されている。このように幅が非常に狭いマイクロチャネルでは、流路壁面に境界層が形成されにくいため、冷却効率の向上が期待される。
In the conventional cooling device, a single crystal silicon (Si) substrate is used as a constituent material of the
上述の図23に示した冷却装置10においては、マイクロチャネルはシリコン基板上にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によって形成されているため、露光装置など高価な設備を必要とし、製造費用が高くなる問題が生じた。
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。
In the
In addition, the
Further, since these
図23の冷却装置10は、薄板1〜3を積層した場合に電気抵抗が高くなる問題もあった。冷却装置10においては、中間薄板2として、上下の薄板1および3を構成するシリコン基板に貼り合せるのに好適なガラスが使用され、さらに薄板間をシールするためにシリコンゴムが各々の薄板の間に挟まれているので、この状態では薄板1〜3を電気的に直列接続して半導体レーザアレイ4を駆動することは不可能であった。
The
このため、薄板1〜3の側壁面に金属膜をメタライズしたり、メタルクリップを使用する、あるいは金属粉末を含有した導電性シリコンゴムをパッキンとして使用する等の対策が講じられているが、直列電気抵抗が大きくなることは不可避で、この結果、ジュール発熱の増大を免れえなかった。
For this reason, measures such as metallizing a metal film on the side walls of the
さらに、図23の冷却装置10は、マイクロチャネル以外を冷却に有効に利用しておらず、冷却効率をさほど高くできないという問題点も有した。すなわち、冷却装置10では、マイクロチャネルを形成した薄板1および3の材料としてシリコンが使用されているが、シリコンの熱伝導率は金属の熱伝導率に比べて小さく、薄板1および3を介した熱伝導による発生熱量の除去が困難であった。
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。
Furthermore, the
Further, since glass is used as the intermediate
Moreover, in the glass
Despite such a structure, the
That is, the
However, such a micro-channel has a high processing cost, and the flow path is likely to be clogged with fine dust in the cooling liquid, so that the maintenance and maintenance costs such as water quality management of the cooling liquid also increase. there were.
図24(a)〜(d)は、特開平10−209531号公報に記載されている従来の別の冷却装置20の構成を示す分解図および半導体レーザ光源装置として組み立てられた状態を示す斜視図である。冷却装置20は銅あるいは銅合金等の熱伝導率の高い金属板状部材21〜23を積層して形成されており、板状部材21〜23には、冷却液の入口開口部21A、22Aと23A、および出口開口部21B、22Bと23Bが形成されている。
24A to 24D are an exploded view showing the configuration of another
板状部材21〜23は、典型的には250μmの厚さを有し、板状部材21の上面には、前端部21aに沿って冷却液の流路として機能する平行な溝21Cが、ピッチ400〜500μm、典型的には深さが130μm、幅が300〜350μmのサイズで形成されている。溝21Cは、畝21cにより画成され、畝21cは冷却液入口21Aに向かって延在する。
The plate-
この結果、溝21Cから入口21Aに向かって収斂する溝21Dが形成される。すなわち、入口21Aから導入された冷却液は、溝21Dに沿って拡がり、前端面21aに隣接した溝21Cに導かれる。
As a result, a
板状部材22は図24(d)に示すように、板状部材21上に、開口部22A,22Bと対応する開口部21A,21Bにそれぞれ整列させて積層されるが、板状部材22には、板状部材21上の溝21Cのそれぞれに対応して、複数の貫通穴22Cが前端面22aに沿って形成され、その結果、溝21Cに導入された冷却液は、対応する開口部22Cを通って板状部材22の上側に到達する。
As shown in FIG. 24D, the plate-
板状部材22の上側には板状部材23が配設されるが、板状部材23は、板状部材21と同一の部材を板状部材22上に裏返した状態で配設することにより得られ、板状部材21上の溝21Cおよび21Dと同様な溝が下面に形成されている。
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。
The plate-
However, the groove corresponding to the
図24に示した従来の冷却装置20では、板状部材21〜23の流路はリソグラフィ技術やレーザビーム加工等を用いることなく、単に溝を化学エッチングにより形成しているため、安価に冷却装置を製造できる。
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。
In the
Furthermore, as the material of the thin plate member, a material having a relatively high thermal conductivity such as copper or a copper alloy is used, so that it has a relatively large heat capacity without applying a load only to the coolant flow path. It can be formed as an integral structure.
また、図24の冷却装置20では、図23に示す従来の冷却装置10の連続したスリット1Cのかわりに互いに孤立した複数の貫通穴を形成することにより熱的に遮断された二つの領域に分割されることがなくなり、熱が隣り合う貫通穴の間の架橋部を介して、一の領域から他の領域に速やかに散逸することが可能である。
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。
24 is divided into two regions that are thermally blocked by forming a plurality of through holes isolated from each other instead of the continuous slits 1C of the
Furthermore, since the flow path of the coolant is a groove having a larger cross-sectional shape than the microchannel, maintenance such as water quality maintenance is easy.
図24の冷却装置20では、化学エッチングによる溝形成、および熱伝導率の高い金属部材により実質的には熱的に一体の構造物として構成することによって、冷却液流路のみに負荷をかける図23の従来の冷却装置10が有する問題点は解決されている。
In the
しかるに、板状部材21の上面に前端部21aに沿って形成された溝21C、および冷却液入口21Aに向かって収斂する溝21Dの断面寸法は板状部材の厚さにより規定され、特に溝の深さは板厚の半分程度しかとれないため、依然として微細な寸法の流路であり、冷却液中の塵埃による流路の詰まりの問題は完全には解決されておらず、厳密な水質管理は必要であった。
However, the cross-sectional dimensions of the groove 21C formed along the
また、化学エッチングで形成される流路の幅および深さのばらつきにより、複数の溝21Dに流路抵抗のばらつきが発生するため、冷却液入口21Aから複数の貫通穴22Cに導入される冷却液も均等に分配されないおそれがあった。これにより、薄板23の上面に配設された半導体レーザアレイが長手方向に均一に冷却されないおそれがあり、このような場合、半導体レーザアレイ中で温度差が生じるが、バンドギャップエネルギーの温度依存性の影響の結果、出力波長が半導体レーザアレイを構成する個々の半導体レーザ間で不均一になる問題点が生じた。
In addition, since the variation in the channel resistance occurs in the plurality of
さらに、前述したように、冷却液入口21Aおよび冷却液出口23Bまでの流路断面を大きくとることが困難なため、冷却装置20自体の圧力損失が大きくなるので、所望流量の冷却液を送給するための送給手段の容量が増大し、装置コストの上昇を招いた。
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。
Further, as described above, since it is difficult to increase the cross section of the flow path to the
It is an object of the present invention to provide a novel and useful cooling device, a semiconductor laser light source device including the cooling device, and a semiconductor laser light source unit that solve the problems found in the conventional cooling device.
本発明に係る冷却装置は、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入口開口部に接続され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出口開口部に接続され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、端部に対応する領域に沿って形成され、かつ冷却液導入溝および冷却液排出溝に連通して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、を備えたものである。 The cooling device according to the present invention includes a first plate member made of metal obtained by bonding a body to be cooled along a predetermined end, an inlet opening for introducing a coolant, and an end connected to the inlet opening. A coolant introduction groove provided so as to reach one end of the region corresponding to, an outlet opening for discharging the coolant, and a coolant discharge provided to reach the other end of the region corresponding to the end connected to the outlet opening A second plate-like member made of metal with grooves formed therein, and formed along a region corresponding to the end portion, and communicated with the coolant introduction groove and the coolant discharge groove in the longitudinal direction of the object to be cooled. And a third plate member made of metal provided with at least one cooling groove through which the coolant flows.
このため、溝の断面積が従来構造より大きくとれるので、従来構造に比して加工コストが安く、異物による水路の詰まりや流路による高圧力損失の問題が解決され、また被冷却体の長手方向に沿って溝が設けられているため、被冷却体を効率良く冷却することができる。
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。
For this reason, since the cross-sectional area of the groove can be larger than that of the conventional structure, the processing cost is lower than that of the conventional structure, the problem of clogging of water channels due to foreign substances and high pressure loss due to the flow path is solved, and the length of the object to be cooled is reduced. Since the groove is provided along the direction, the object to be cooled can be efficiently cooled.
Furthermore, it is good also as a laminated body which laminated | stacked several sheets of the above-mentioned plate-shaped members alternately. As a result of increasing the number of stacked layers, the object to be cooled can be cooled more efficiently.
Further, the second plate-shaped member described above has a plurality of cooling grooves provided in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the body to be cooled. As a result, the object to be cooled can be efficiently cooled by the plurality of grooves having a larger cross-sectional area than the conventional structure.
Furthermore, since the length of the groove of the second plate-shaped member and the width of the plurality of grooves of the third plate-shaped member are substantially equal, the object to be cooled can be cooled more effectively.
また、本発明に係る半導体レーザ光源装置は、上述の被冷却体を半導体レーザとしたので、本発明の冷却装置により半導体レーザを効率的に冷却することができ、出力波長の均一なレーザ光が得られる。 Further, in the semiconductor laser light source device according to the present invention, since the above-described object to be cooled is a semiconductor laser, the semiconductor laser can be efficiently cooled by the cooling device of the present invention, and laser light with a uniform output wavelength can be obtained. can get.
また、本発明に係る半導体レーザ光源装置は、半導体レーザと上述の第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ので、半導体レーザと板状部材の線熱膨張係数との差を緩和し、半導体レーザ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。
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。
In the semiconductor laser light source device according to the present invention, since the submount made of a copper tungsten alloy or a copper molybdenum alloy is placed between the semiconductor laser and the first plate member, the semiconductor laser Since the difference between the linear thermal expansion coefficient of the plate member and the linear thermal expansion coefficient can be relaxed and the distortion generated in the semiconductor laser can be suppressed, stable operation can be achieved over a long period.
In addition, a semiconductor laser light source device according to the present invention is bonded to the lower part of the above cooling device, and includes a first power feeding plate member having a first power feeding terminal, and an upper part of the cooling device via an insulator. A second plate member for power feeding provided with a thin plate made of metal which is fixedly attached and electrically connected to the upper part of the semiconductor laser at one end, and provided with a second power feeding terminal at the other end. Therefore, a semiconductor laser light source device with a small electric resistance is obtained.
また、本発明に係る半導体レーザ光源ユニットは、上述の冷却装置と、半導体レーザ光源装置にシール部材を介して締結部材によって装着され、半導体レーザ光源装置に冷却液を供給する冷却液マニホルドと、を備えているので、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に冷却液を分配、回収する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。 Further, a semiconductor laser light source unit according to the present invention includes the above-described cooling device, and a cooling fluid manifold that is attached to the semiconductor laser light source device by a fastening member via a seal member and supplies a cooling liquid to the semiconductor laser light source device. Since the members for arranging and fixing the respective semiconductor laser light source devices have the function of a manifold for distributing and recovering the coolant to the arranged semiconductor laser light source devices, they are thin and compact. A simple semiconductor laser light source unit can be configured.
さらに、上述の半導体レーザ光源装置を複数台としたので、より多くの冷却装置を充分に効率よく冷却させつつ、複数の半導体レーザ光源装置を駆動させることができる。
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。
Furthermore, since a plurality of the above-described semiconductor laser light source devices are provided, it is possible to drive a plurality of semiconductor laser light source devices while cooling more cooling devices sufficiently efficiently.
Further, a first power supply plate that is bridged to electrically connect the first power supply terminals of the plurality of semiconductor laser light source devices and a second power supply that is bridged to electrically connect the second power supply terminals. Since the power supply plate is provided, a semiconductor laser light source unit that is easy to supply power and has excellent cooling efficiency can be obtained.
さらに、複数台の半導体レーザ光源装置に対して別個独立に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。
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。
Furthermore, since the cooling liquid flows separately and independently for the plurality of semiconductor laser light source devices, a semiconductor laser light source unit capable of efficient cooling is obtained.
Further, since the cooling liquid sequentially flows to the individual semiconductor laser light source devices in the plurality of cooling devices, a semiconductor laser light source unit capable of cooling efficiently can be obtained.
本発明に係る冷却装置は、半導体レーザを冷却することにより安定に動作させる冷却装置として有用である。また、本発明に係る半導体レーザ光源装置および半導体レーザ光源ユニットは、例えば、固体レーザ等を励起する光源として有用であり、さらに、本半導体レーザ光源ユニットを装着した固体レーザ装置は、例えば、加工用光源として有用である。 The cooling device according to the present invention is useful as a cooling device that operates stably by cooling a semiconductor laser. The semiconductor laser light source device and the semiconductor laser light source unit according to the present invention are useful, for example, as a light source for exciting a solid laser or the like, and the solid laser device equipped with the semiconductor laser light source unit is, for example, for processing Useful as a light source.
発明を実施するための最良の形態
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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to explain the present invention in more detail, it will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
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。
1A to 1D are exploded views showing a configuration of a semiconductor laser light source device provided with a
板状部材31〜33の厚さは積層体の厚さや積層枚数および冷却液流路を構成するための溝のパターン等から決定されるが、典型的にはそれぞれ100〜500μm程度の板状部材が選択される。
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。
The thickness of the plate-
The
The plate-
図2(a)は、冷却装置30Aの中心軸を通る線に沿った断面、すなわち図1のA−A’矢視印断面図、図2(b)は冷却装置30Aの冷却液流路として機能する溝32aおよび32dに沿った断面、すなわち図1のB−B’矢視印断面図である。図2(a)に示すように、冷却液流路のための溝32aおよび32dが形成されていない中心軸付近の流路は、仕切り32bにより小さな冷却用溝32cに分離され、しかも仕切り32bは上下面の板状部材31、32Bと機械的および熱的に接続されている。
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。
2A is a cross section taken along a line passing through the central axis of the
The typical cross-sectional size of the groove in the present invention is about 2 mm wide and the depth is the same as the plate-like member 32, that is, about 100 to 500 μm, which is compared with the conventional microchannel width of 25 μm and depth of 125 μm. And it is much bigger.
次に、かかる冷却装置30Aの動作について説明する。板状部材33に設けられた冷却液入口33aより導入された冷却液は、板状部材32Aおよび32Bに形成された溝32dおよび溝32aを介して、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で、半導体レーザアレイ34の長手方向に沿って形成された複数の冷却用溝32cへと導かれる。
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。
Next, the operation of the
The cooling liquid introduced into the cooling
In the cooling device 30 </ b> A, the heat generated from the
本実施の形態では、板状部材32Aで半導体レーザアレイ34から最も多量の熱が伝導する前端部に冷却液流路を複数に分流させる仕切り32bを設け、かかる仕切り32bが上下面の板状部材31および33と熱的に接続されているので、仕切り32b自体も冷却フィンとして作用することにより、熱は効率的に冷却液にまで伝導して、冷却液の排出とともに冷却装置30A外へと除去される。
In the present embodiment, a
このように、冷却装置30Aは、実質的に熱的に一体の構造物として構成されており、この結果、半導体レーザアレイ34から発生した熱は3次元的に効率良く伝導して、冷却装置30Aを流れる冷却液により除去されるので、効率よく冷却することが可能である。
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。
Thus, the
Moreover, since the laminated body which comprises the
また、上述したように冷却装置30A内部の熱抵抗が小さいので、非常に微細な流路を形成する必要もなく、化学エッチングに代表される安価な製造方法で冷却液流路用の溝32a等を形成することができ、流路の設計に関しても自由度が高いメリットがある。このように、マイクロチャネルに比して断面形状の大きな溝を形成できるので、塵埃除去等の水質管理も容易となる。
Further, as described above, since the heat resistance inside the
さらに、冷却液の流れが半導体レーザアレイ34の長手方向と一致するように冷却液流路を形成しているため、従来の冷却装置で発生したような流路断面の寸法ばらつきによる冷却液流量の偏りに起因した冷却の不均一は発生しない。
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、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。
Further, since the cooling liquid flow path is formed so that the flow of the cooling liquid coincides with the longitudinal direction of the
Even in the event that clogging occurs in some of the flow paths due to dust, the cooling liquid is caused to flow along the longitudinal direction of the body to be cooled using the plurality of cooling
本実施の形態の冷却装置30Aでは、板状部材32Aにも、冷却液を導入あるいは排出するための溝32aを形成した構成を示したが、上述の板状部材32Bに形成された溝32dのみでも冷却液の導入あるいは排出は可能である。したがって、多量の冷却液を必要とせず、冷却装置30A内の圧力損失が問題とならない場合には、特に上述の溝32aを形成する必要はない。
In the
また、図1の冷却装置30Aでは、冷却液流路として機能する溝が形成された板状部材32Aおよび32Bをそれぞれ1枚ずつ積層した構成を示したが、図3に示すように板状部材32Aおよび板状部材32Bを交互にして複数積層した冷却装置構造30Bのように構成しても良い。積層数を増やすことにより、被冷却体である半導体レーザアレイ34をより効率的に冷却することが可能となるからである。
Further, in the
図4(a)は、板状部材32Aおよび板状部材32Bをそれぞれ2枚ずつ積層した場合における積層体30Bの中心軸に沿った断面図、すなわち図3の各板状部材が積層された場合のC−C’矢視印断面図であり、図4(b)は、積層体30Bの冷却液流路として機能する溝32aおよび溝32dに沿った断面における断面、すなわち、図3の各板状部材が積層された場合のD−D’矢視印断面図である。
FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the central axis of the laminate 30B when two plate-
このように、複数組の板状部材32Aおよび32Bを積層する場合には、板状部材32Aに冷却液導入あるいは排出用の溝32aを形成しておく必要がある。
Thus, when a plurality of sets of plate-
実施の形態2.
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。
In the first embodiment, in the plate-
FIG. 6A is a cross-sectional view of the coolant flow path at the position where the slit-
スリット状の冷却用溝32eは半導体レーザアレイ34の長手方向に沿って、一定のピッチで複数個配列されているので、図6(a)に示された流路は、同図の紙面垂直方向にスリット状の冷却用溝32eの幅に相当する冷却液流路の長さを具備し、図6(b)に示された流路は、同図の紙面垂直方向に隣り合うスリット状の冷却用溝間に形成される仕切り32fの幅に相当する冷却液流路の長さを具備しており、このような流路がスリット状の冷却用溝32eの数に応じて交互に繰り返される。すなわち、板状部材32Bに形成されたスリット状の冷却用溝32eの数に応じて、冷却装置30Cに導入された冷却液は図6(a)および(b)に示した断面を交互に繰り返して流れることになる。
Since a plurality of slit-shaped
このような流路が形成された冷却装置30Cにおいては、実施の形態1による冷却装置と同様の効果が得られるとともに、半導体レーザアレイ34が接続された位置の下面における冷却液流路の断面形状が、スリット状の冷却用溝32eと仕切り32fの幅に相当する間隔で繰り返し変化するため、冷却液の流れを効果的に撹拌し、境界層の形成を抑制することにより冷却効率をさらに向上することができる。
In the cooling device 30C in which such a channel is formed, the same effect as that of the cooling device according to the first embodiment is obtained, and the cross-sectional shape of the cooling fluid channel on the lower surface where the
なお、実施の形態2においても、実施の形態1で示した冷却装置30Aと同様、図7に示すように、板状部材32Aおよび板状部材32Cを交互にしてそれぞれを複数積層して構成しても良い。図7では、板状部材32Aを2枚と32Cを1枚とした構成としており、この場合の流路の断面形状は、図7の各板状部材が積層された場合のG−G’矢視印断面を表した図8(a)およびH−H’矢視印断面図を表した図8(b)に示したものとなる。
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。
In the second embodiment, similarly to the
When the
実施の形態3.
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。
FIGS. 9A to 9D are exploded views showing the configuration of the semiconductor laser light source device including the
In the third embodiment, the plate-
図9(b)において、板状部材32Dには、冷却液を導入あるいは排出するための流路として機能する溝32gが両側面近傍に形成され、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の長手方向に溝32gと連続して形成された冷却用溝32hを具備する。
In FIG. 9B, a semiconductor laser array in which
冷却用溝32hは、一端は上述の板状部材32Dと接続され、他端が板状部材32Dから切り離されて櫛状に形成された複数の分岐32iによって、複数の溝に分岐されている。
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。
One end of the cooling
Further, the connection portions between the plurality of comb-
The plate-
However, when the plate-
図10(a)は、冷却装置30Eの中心軸に沿った断面図、すなわち図9の各板状部材が積層された場合のI−I’矢視印断面図、図10(b)は冷却装置30Eの冷却液流路として機能する溝32gに沿った断面図、すなわち図9の各板状部材が積層された場合のJ−J’矢視印断面図である。図10(a)に示すように、半導体レーザアレイ34の長手方向に沿った流路が形成されている中心軸付近の流路は、板状部材32Dに形成された分枝32iおよび板状部材32Eに形成された分枝32kにより複数の流路に分岐される。
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。
10A is a cross-sectional view along the central axis of the
Further, these
また、半導体レーザアレイ34の直下近傍に位置する冷却液流路の断面は、図10(b)に示すように分枝と板状部材の接続部が板状部材32Dと32Eで交互に現れるように構成されている。
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。
Further, in the cross section of the coolant flow path located in the immediate vicinity of the
The
Furthermore, since the flow path having a larger flow path cross section can be configured with the same number of plate-like members as the
実施の形態3に示した冷却装置30Eでは、冷却液流路として機能する溝が形成された板状部材32Dおよび32Eをそれぞれ1枚ずつ積層した構成を示したが、図11に示すように、冷却装置30Fを板状部材32Dおよび板状部材32Eを交互にして複数積層して構成しても良い。
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。
In the
It should be noted that the number of the plate-
図12(a)は、実施の形態3に示した冷却装置において、板状部材32Dおよび板状部材32Eをそれぞれ2枚ずつ積層した場合における冷却装置30Fの中心軸に沿った断面図、すなわち、図11の各板状部材が積層された場合のK−K’矢視印断面図であり、図12(b)は、冷却装置30Fの冷却液流路として機能する溝32gに沿った断面図、すなわち、図11の各板状部材が積層された場合のL−L’矢視印断面図である。
FIG. 12A is a cross-sectional view along the central axis of the
図10に示した場合と同様、半導体レーザアレイ34の長手方向に沿った流路が形成されている中心軸付近の流路は、板状部材32Dに形成された分枝32iおよび板状部材32Eに形成された分枝32kにより、さらに複数の流路に分岐される。
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。
Similar to the case shown in FIG. 10, the flow path in the vicinity of the central axis in which the flow path along the longitudinal direction of the
These
Further, the cross section of the coolant flow path located near the end face of the
By adopting such a configuration, a channel having a larger channel cross section can be configured, so that the flow rate of the coolant flowing through the
図9に示した冷却装置30Eにおける分枝32iおよび32kによる冷却フィンの効果を確かめるため、比較実験を行った。図13に実験結果を示す。なお、冷却流路を流れる冷却水量は0.5リットル/分である。図13から明らかなように、冷却フィンの無い構造では熱抵抗が平均0.86K/Wであるのに対し、冷却フィンを有する冷却装置30Eでは平均0.67K/Wに低減しており、本発明の冷却装置30Eの効果を実証することができた。
In order to confirm the effect of the cooling fins by the
実施の形態4.
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。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser light source device including a
In the fourth embodiment, in the cooling device shown in the first to third embodiments, the
すなわち、板状部材31、サブマウント材料、半導体レーザアレイの構成材料、各々の線膨張係数は、
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。
That is, the plate-
Plate member> Submount material> Constituent material of semiconductor laser array (1)
The submount material is selected so that this relationship is established.
このサブマウント35の材料は、半導体レーザアレイ34の構成材料が最も一般的なガリウム砒素(GaAs)の場合では、上述の不等式(1)の関係を満足する銅タングステン(CuW)、銅モリブデン(CuMo)等の銅(Cu)と高融点金属の合金が好適である。
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。
The material of the
With the above configuration, the thermal resistance of the
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に接続すると、レーザ発振時に双方を構成する材料の線熱膨張係数の差によって、半導体レーザアレイ34に機械的歪が発生し、半導体レーザアレイ34が破壊される危険性が高くなる。
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。
When the
In the fourth embodiment, the
実施の形態5.
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。
In the cooling devices shown in the first to third embodiments, each plate-like member constituting the laminate is typically made of the same material using a metal material having excellent thermal conductivity such as Cu. It was.
On the other hand, in the cooling device according to the fifth embodiment, in the cooling device shown in the first to third embodiments, the plate-
上述したCuWおよびCuMo等の材料は、Cuに比べて熱伝導率が小さいので、板状部材31にこれらの材料を使用すると、板状部材31の伝熱性能はCuを使用した実施の形態1〜3の冷却装置より劣ることになるため、冷却装置単体としての冷却性能は低下する。
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。
Since the materials such as CuW and CuMo described above have a lower thermal conductivity than Cu, when these materials are used for the plate-
However, in the fifth embodiment, the
That is, in the cooling device shown in the fifth embodiment, the same effect as the cooling device shown in the first to third embodiments can be obtained, and the thermal resistance of the cooling device can be further reduced.
また、半導体レーザアレイの構成材料に近似した線熱膨張係数の値を有する材料で板状部材31を構成したので、半導体レーザアレイ34を直接板状部材31に接合しても、線熱膨張係数の差による半導体レーザアレイ34の歪の発生を抑制でき、実施の形態4による冷却装置と同様に、長期的に安定なレーザ発振が可能となる。
Further, since the plate-
実施の形態6.
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。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser
図15で、31、32Aおよび32Bは積層体を構成する板状部材であり、これらは先の実施の形態で示した部材と同一のものである。図15において、63は先の実施の形態に示された冷却装置の薄板部材33に代わり給電端子67を備えた板状部材であり、本実施の形態6による冷却装置60は、これらの板状部材31、32A,32Bおよび63を積層することにより構成されている。
In FIG. 15, 31, 32 </ b> A and 32 </ b> B are plate-like members constituting the laminated body, and these are the same as the members shown in the previous embodiment. In FIG. 15, 63 is a plate-like member provided with a
また、62は導電性に優れた金属より構成され、冷却装置60と類似の形状を有する上部電極である。冷却装置60の板状部材31上には、(1)式の関係を満足する材料、具体的にはCuW、CuMo等で形成されたサブマウント35aを介して半導体レーザアレイ34がAuSn合金はんだ等の高融点ハンダにより接合されている。
この半導体レーザアレイ34の上面には、サブマウント35aと同一材料で形成されたサブマウント35bが同様にAuSnハンダにより接合されており、このサブマウント35bを介してAu、Cu等で構成された金属薄板(もしくは金属箔)66が接合される。
A submount 35b formed of the same material as that of the
図15(c)では、実施の形態3に示された冷却液流路を形成する板状部材32Aと板状部材32Bをそれぞれ1枚ずつ積層した冷却装置により半導体レーザ光源装置を構成した場合を示しているが、これまでに示したいずれの冷却装置で半導体レーザ光源装置を構成しても構わない。
FIG. 15C shows a case where the semiconductor laser light source device is configured by a cooling device in which the plate-
冷却装置60と上部電極62に挟まれた部材65aおよび65bは、絶縁材料より構成された絶縁板であり、冷却装置60と上部電極62を機械的に接続して一体化構造としつつ、冷却装置60と上部電極62とを電気的に絶縁する機能を果たしている。
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。
The
For this reason, the current supplied from the driving power source flows from the cooling
実施の形態6に示された半導体レーザ光源装置61では、実施の形態1〜3に示した半導体レーザ光源装置と同様に、冷却装置60を構成する積層体はCu等の導電性に優れた金属のみにより構成されており、また電源より供給される電流の経路となるサブマウント35a、金属薄板66および上部電極も導電性に優れた金属より構成され、これらの部材の接続はハンダ接合等の手段により行われているので、低抵抗かつ信頼性の高い電気的コンタクトが得られる。
In the semiconductor laser
したがって、電気抵抗の小さい半導体レーザ光源装置を実現することができ、これにより動作時の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形成する積層体についても、液相拡散接合等の方法により一体化されているため、冷却液漏れの問題も長期的に回避される。 Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser light source device having a small electric resistance, thereby suppressing generation of unnecessary Joule heat during operation. Furthermore, since the laminated body in which the coolant flow path is formed is integrated by a method such as liquid phase diffusion bonding, the problem of coolant leakage can be avoided for a long time.
また、積層体を構成する板状部材は熱伝導性にも優れており、冷却装置60内部の熱抵抗が小さいので、非常に微細な流路を形成する必要もなく、化学エッチングに代表される安価な手段で冷却液流路用の溝を形成することができ、流路の設計に関しても自由度が高い。このようにマイクロチャネルに比して断面形状の大きな溝を形成できるので、塵埃除去等の水質管理も容易となる。
Further, the plate-like member constituting the laminate is excellent in thermal conductivity, and since the thermal resistance inside the cooling
さらに、図15(c)の破線部分で示したような冷却液の流れが半導体レーザアレイ34の長手方向と一致する冷却液流路を形成しているため、流路断面の寸法ばらつきによる冷却液流量の偏りに起因した冷却の不均一は発生しない。
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。
Further, since the coolant flow as shown by the broken line in FIG. 15C forms a coolant flow path that coincides with the longitudinal direction of the
Also, even if some of the flow paths are clogged with dust, the cooling liquid is flowing along the longitudinal direction of the
Therefore, since variations in the output wavelength of the laser light emitted from the individual semiconductor lasers in the
実施の形態7.
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。
Embodiment 7 FIG.
In FIG. 15, the
In this case, the thermal resistance can be further reduced as compared with the cooling device used in the semiconductor laser
また、半導体レーザアレイ34の構成材料に近似した線膨張係数の値を有する材料で板状部材31を構成しているので、線熱膨張係数の差による半導体レーザ構成材料中に生じる歪に起因する結晶欠陥の発生、転位を抑制でき、この結果、長期的に安定なレーザ光出力が可能となる。
Further, since the plate-
実施の形態8.
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。
Embodiment 8 FIG.
FIG. 16 is an exploded view showing a configuration of a semiconductor laser
In FIG. 16,
この冷却液マニホルド703は、半導体レーザ光源装置61に冷却液を供給、回収するとともに、707に示したネジあるいはボルト等による締結部材によって半導体レーザ光源装置61を固定する台座としての機能を併せ持つ。半導体レーザ光源装置61は、2本のピン704により位置ずれが起こらないよう、高精度に位置決めされて冷却液マニホルド703に固定される。706はOリング等のシール部材であり、冷却液流路の水密を維持する。
The
冷却液マニホルド703が金属等の導電性材料で構成されている場合で、半導体レーザ光源装置61と冷却液マニホルド703を電気的に絶縁する必要がある場合には、ポリイミド等の絶縁性材料で形成された絶縁シート705を介して固定される。
When the
同様に、半導体レーザ光源装置61と冷却液マニホルド703の双方に接触している位置決めピン704およびボルト707についても絶縁が必要になるので、位置決めピン704についてはセラミックあるいは樹脂等に形成する。またボルト707は、ポリカーボネート等の樹脂製のものを使用するか、金属製の場合には絶縁ワッシャー708を挟むことにより絶縁することができる。
Similarly, since the positioning pins 704 and the
なお、特に冷却液マニホルド703と半導体レーザ光源装置61を電気的に絶縁する必要がない場合には、絶縁シート705および絶縁ワッシャー708は不要であり、部品点数の削減が可能である。また、位置決めピン704およびボルト707は導電性材料で形成しても構わない。
In particular, when it is not necessary to electrically insulate the
実施の形態8では、図17に示すように、冷却装置60に位置決めピン704を貫通させるため、板状部材31,32A,32Bと63による積層体にピン穴711aおよび711bが設けられている。さらに、固定ボルト707用のネジ穴712が設けられている。
In the eighth embodiment, as shown in FIG. 17, pin holes 711 a and 711 b are provided in the laminated body of the plate-
これらのピン穴およびネジ穴は、板状部材31,32A,32Bと63による積層体を形成した後に機械加工により形成するか、あるいは積層体を形成する前に個々の板状部材の形成と同時に形成しておいても良い。
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。
These pin holes and screw holes are formed by machining after forming the laminated body of the plate-
In the latter case, if the above-described pin holes are formed in all members of the plate-
図16は、1個の半導体レーザ光源装置61の冷却液マニホルド703への固定方法を示しているが、実施の形態8による半導体レーザ光源ユニット702は、図18(a)の組立て図に示すように、図16の紙面垂直方向に複数の半導体レーザ光源装置61が配列、固定された高出力レーザ光源装置として構成されている。図18では、半導体レーザ光源装置61を4個配列、固定した半導体レーザ光源ユニットの構成例を示している。
FIG. 16 shows a method of fixing one semiconductor laser
図18に示すように、個々の半導体レーザ光源装置61aないし61dは全て、先に説明した固定方法により冷却液マニホルド703上に固定される。隣り合う半導体レーザ光源装置61aないし61dは、互いに接触しないように、位置決めピン704によって一定の間隔をおいて位置決め、固定される。
As shown in FIG. 18, all the individual semiconductor laser
図示されていない駆動電源からの配線は、半導体レーザ光源ユニット702の一端に位置する半導体レーザ光源装置61aの冷却装置側の給電端子と、他端に位置する半導体レーザ光源装置61dの上部電極側の給電端子に接続される。隣接する半導体レーザ光源装置は、給電板714によって半導体レーザ光源装置61aの上部電極から半導体レーザ光源装置61bの冷却装置側の給電端子へ架橋され、図示しないネジ等の結合部品により電気的に接続される。
Wirings from a drive power source (not shown) are provided on the power supply terminal on the cooling device side of the semiconductor laser
図19は給電板714の概略構成を示したものである。ここで、図19(a)は給電板714の断面図、(b)は上面図をそれぞれ示す。同様にして、半導体レーザ光源装置61b、61c、61dについても給電板714を介して順次、架橋される。
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。
FIG. 19 shows a schematic configuration of the
Therefore, when the current from the drive power source is supplied to the power supply terminal on the cooling device side of the semiconductor laser
次に、冷却液の流れについて図18に基づき説明する。図示しないチラー等の冷却装置より冷却液マニホルド703の入口713aに導入された冷却液は、主管流路715aを経由して支管流路716a〜716dへと均等に分配され、個々の半導体レーザ光源装置61a〜61dへと流入する。
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。
Next, the flow of the coolant will be described with reference to FIG. The cooling liquid introduced into the
The distributed cooling liquid flows through the cooling liquid flow path inside the semiconductor laser light source device, and then returns from each branch pipe flow path 717a to 717d through the main
In the semiconductor laser
また、冷却装置を含む半導体レーザ光源装置は、複数の板状部材を積層することにより一体構造物として形成され十分な機械的強度を有するので、冷却液マニホルド703との固定にはネジ、あるいはボルトやナット等の機械的締結により各々の半導体レーザ光源装置61a〜61dを個々に強く締付けることができるため、冷却液マニホルド703と半導体レーザ光源装置61a〜61dの接続部分での冷却液漏れが発生する恐れがない。
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。
In addition, since the semiconductor laser light source device including the cooling device is formed as an integrated structure by laminating a plurality of plate-like members and has sufficient mechanical strength, screws or bolts are used for fixing to the
Further, the flow path inside the
実施の形態9.
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。
Embodiment 9 FIG.
In the eighth embodiment, the semiconductor laser light source unit is configured by the coolant manifold in which the flow paths for distributing the coolant in parallel to each semiconductor laser light source device are formed. In the ninth embodiment, the semiconductor laser light source unit is shown in FIG. A semiconductor laser light source unit can be constituted by the
In addition, since it is difficult to form the coolant manifold having the flow path shown in FIG. 20 from a single body, for example, after forming the two
しかし、先に示したいずれの冷却装置に形成された冷却液流路も、冷却液の流れ方向に左右されず均一な冷却が可能であるため、実施の形態7の半導体レーザ光源ユニットと同様の効果を得ることができる。 However, since the coolant flow path formed in any of the cooling devices described above can be uniformly cooled regardless of the flow direction of the coolant, it is the same as that of the semiconductor laser light source unit of the seventh embodiment. An effect can be obtained.
また、冷却液は個々の半導体レーザ光源装置を直列的に流れるため、半導体レーザ光源装置間での流量ばらつきは全く生じず、出力波長のばらつきが極めて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。 In addition, since the coolant flows in series in the individual semiconductor laser light source devices, there is no flow rate variation between the semiconductor laser light source devices, and the semiconductor capable of outputting laser light having a sharp spectrum with very little output wavelength variation. A laser light source unit can be realized.
実施の形態10.
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。
In the semiconductor laser light source units shown in the eighth and ninth embodiments, the respective semiconductor laser light source devices arranged and fixed in the coolant manifold are electrically connected in series.
In the semiconductor laser light source unit of the tenth embodiment, as shown in FIG. 21, the power supply terminals on the upper electrode side formed in each of the semiconductor laser
なお、冷却液流路については、個々の半導体レーザ光源装置に冷却液を並列分配する冷却液マニホルド、あるいは冷却液を直列的に供給する冷却マニホルドのいずれを用いても良い。 As the coolant flow path, either a coolant manifold that distributes coolant in parallel to individual semiconductor laser light source devices or a coolant manifold that supplies coolant in series may be used.
かかるレーザ光源ユニットでは、駆動電源からの電流を各々の半導体レーザ光源装置に対して並列に分配する構成としているので、隣接する半導体レーザ光源装置の上部電極間、および冷却装置間を電気的に絶縁する必要がない。
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。
In such a laser light source unit, the current from the drive power supply is distributed in parallel to each semiconductor laser light source device, so that the upper electrodes of adjacent semiconductor laser light source devices and the cooling device are electrically insulated. There is no need to do.
Therefore, unlike the semiconductor laser light source units shown in the eighth and ninth embodiments, it is not necessary to arrange and fix the adjacent semiconductor laser light source devices at regular intervals in order to electrically insulate the adjacent semiconductor laser light source devices. A more compact semiconductor laser light source unit can be realized.
実施の形態11.
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。
Embodiment 11 FIG.
In the eleventh embodiment, in the semiconductor laser light source unit shown in the eighth to tenth embodiments, the coolant manifold is formed of an insulating material such as a resin.
In such a semiconductor laser light source unit, only the material of the coolant manifold is changed, and the other members are the same as those of the semiconductor laser light source unit shown in the previous eighth to tenth embodiments. It has the effect of.
さらに、冷却液マニホルドを絶縁性材料で形成することにより、半導体レーザ光源装置と冷却液マニホルドを電気的に絶縁する必要がある場合においても、絶縁シート705や絶縁ワッシャー708は不要である。
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。
Furthermore, the insulating
Further, the positioning pins 704 or the
Thus, not only the number of parts can be reduced, but also a cheaper material can be used, so that an inexpensive and easy-to-assemble semiconductor laser light source unit can be realized.
実施の形態12.
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。
Embodiment 12 FIG.
By mounting the above-described semiconductor laser light source unit on the side surface of the solid laser rod as an excitation light source, a solid laser device capable of processing a workpiece is obtained. In such a solid-state laser device, since the solid-state laser is excited by laser light emitted from a semiconductor laser array having an extremely stable output wavelength, an efficient and stable light output can be obtained.
Claims (14)
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。 A first plate-like member made of metal obtained by joining a body to be cooled along a predetermined end;
An inlet opening for introducing a cooling liquid, a cooling liquid introduction groove provided to reach one end of a region corresponding to the end connected to the inlet opening, an outlet opening for discharging the cooling liquid, and the outlet opening A second plate-like member made of metal, each formed with a coolant discharge groove provided to reach the other end of the region corresponding to the end portion,
There is provided at least one cooling groove that is formed along a region corresponding to the end portion and communicates with the cooling liquid introduction groove and the cooling liquid discharge groove to flow the cooling liquid in the longitudinal direction of the object to be cooled. A third plate-like member made of the formed metal;
A cooling device comprising:
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。 The cooling device according to any one of claims 1 to 5 ,
A semiconductor laser which is an object to be cooled;
A semiconductor laser light source device.
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。 A first power supply plate-like member bonded to the lower part of the cooling device and having a first power supply terminal is fixed to the upper part of the cooling device via an insulator, and is electrically connected to the upper part of the semiconductor laser at one end. A second plate member for power supply, comprising a thin plate made of metal connected to the other end, and provided with a second power supply terminal at the other end;
7. The semiconductor laser light source device according to claim 6, further comprising:
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。 A semiconductor laser light source device according to claim 8 ;
A cooling fluid manifold that is attached to the cooling device by a fastening member via a sealing member, and supplies a cooling fluid to the cooling device;
A semiconductor laser light source unit comprising:
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。 A first power supply plate that is bridged to electrically connect the plurality of first power supply terminals of the plurality of cooling devices;
A second power supply plate that is bridged to electrically connect the plurality of second power supply terminals;
10. The semiconductor laser light source unit according to claim 9, further comprising:
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