(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-01
(45)【発行日】2022-12-09
(54)【発明の名称】半導体レーザ装置
(51)【国際特許分類】
H01S 5/024 20060101AFI20221202BHJP
H01S 5/02315 20210101ALI20221202BHJP
H01L 23/473 20060101ALI20221202BHJP
【ＦＩ】
H01S5/024
H01S5/02315
H01L23/46 Z
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020521053
(86)(22)【出願日】2019-03-15
(86)【国際出願番号】 JP2019010978
(87)【国際公開番号】W WO2019225128
(87)【国際公開日】2019-11-28
【審査請求日】2021-09-16
(31)【優先権主張番号】P 2018097377
(32)【優先日】2018-05-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100115554
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 幸一
(72)【発明者】
【氏名】大森 弘治
【審査官】高椋 健司
(56)【参考文献】
【文献】欧州特許出願公開第２４８５３４６（ＥＰ，Ａ２）
【文献】国際公開第２０１６／１０３５３６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／０６３４３６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００４－１８６２１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－７６７３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１７６９７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３５３６１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１５８９０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１９１７８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５１５０８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第８４８３２４９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００６２３４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００９／０４９７９９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第４７１９６３１（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
Ｂ２３Ｋ ２６／００ －２６／７０
Ｈ０１Ｌ ２３／２９
Ｈ０１Ｌ ２３／３４ －２３／３６
Ｈ０１Ｌ ２３／３７３－２３／４２７
Ｈ０１Ｌ ２３／４４
Ｈ０１Ｌ ２３／４６７－２３／４７３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒が流れる流路が内部に設けられた放熱ブロックと、前記放熱ブロックに配設された第１及び第２半導体レーザモジュールと、を少なくとも備えた半導体レーザ装置であって、
前記放熱ブロックは、前記流路を構成する溝部が形成された下部放熱ブロックと、前記下部放熱ブロックの上面に接して配設され、前記溝部の上側に開口を有する絶縁シール材と、前記開口を覆うように前記絶縁シール材の上面に接して配設された導電性材料からなる上部放熱ブロックと、を有し、
前記第１半導体レーザモジュールは正極側を下にして前記上部放熱ブロックの上面に接して配設される一方、前記第２半導体レーザモジュールは負極側を下にして前記上部放熱ブロックの上面に接して配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項2】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、前記第１及び第２半導体レーザモジュールは、下部電極ブロックと、前記下部電極ブロックに電気的に接続されたサブマウントと、前記サブマウントに配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、前記下部電極ブロックとで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、絶縁層によって前記下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックと、をそれぞれ有し、
前記第１及び第２半導体レーザモジュールの下部電極ブロックが、それぞれ前記上部放熱ブロックの上面に接して配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項3】
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記第１及び第２半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に接して別の放熱ブロックが配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項4】
請求項３に記載の半導体レーザ装置において、前記別の放熱ブロックは、冷媒が流れる流路を構成する溝部が形成された下部放熱ブロックと、前記下部放熱ブロックの上面に接して配設されるとともに、前記溝部の上側に開口を有する絶縁シール材と、前記開口を覆うように前記絶縁シール材の上面に接して配設された上部放熱ブロックとで構成され、
前記別の放熱ブロックは、前記上部放熱ブロックの上面が、前記第１及び第２半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に接して配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項5】
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、前記第１半導体レーザモジュールの上部電極ブロックと前記第２半導体レーザモジュールの上部電極ブロックとは、上面視で外形が同じであり、
前記第１半導体レーザモジュールの上部電極ブロックと前記第２半導体レーザモジュールの下部電極ブロックとは、上面視で外形が同じであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項6】
請求項５に記載の半導体レーザ装置において、前記第１及び第２半導体レーザモジュールにおける上部電極ブロックと下部電極ブロックとは、上面視でそれぞれ外形が同じであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項7】
請求項２ないし６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、前記第１半導体レーザモジュールの下部電極ブロックに、前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を収容する凹部が形成され、
前記第２半導体レーザモジュールの上部電極ブロックに、前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を収容する凹部が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項8】
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記放熱ブロックに配設された第３及び第４半導体レーザモジュールをさらに備え、
前記放熱ブロックは、前記下部放熱ブロックと、前記下部放熱ブロックの上面に接して配設されるとともに、前記溝部の上側に互いに間隔をあけて形成された少なくとも２つの開口を有する絶縁シール材と、２つの前記開口のそれぞれを覆うように前記絶縁シール材の上面に接するとともに、互いに間隔をあけて配設された第１及び第２上部放熱ブロックと、を少なくとも有し、
前記第１及び第２上部放熱ブロックは導電性材料からなり、
前記第１半導体レーザモジュールは正極側を下にして前記第１上部放熱ブロックの上面に接して配設される一方、前記第２半導体レーザモジュールは負極側を下にして前記第１上部放熱ブロックの上面に接して配設されており、
前記第３半導体レーザモジュールは正極側を下にして前記第２上部放熱ブロックの上面に接して配設される一方、前記第４半導体レーザモジュールは負極側を下にして前記第２上部放熱ブロックの上面に接して配設されており、
前記第２半導体レーザモジュールの正極側と前記第３半導体レーザモジュールの負極側とが導電部材によって電気的に接続されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項9】
請求項８に記載の半導体レーザ装置において、前記第３及び第４半導体レーザモジュールは、下部電極ブロックと、前記下部電極ブロックに電気的に接続されたサブマウントと、前記サブマウントに配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、前記下部電極ブロックとで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、絶縁層によって前記下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックと、をそれぞれ有し、
前記第１及び第２半導体レーザモジュールの下部電極ブロックが、それぞれ前記第１上部放熱ブロックの上面に接して配設されるとともに、前記第３及び第４半導体レーザモジュールの下部電極ブロックが、それぞれ前記第２上部放熱ブロックの上面に接して配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項10】
請求項９に記載の半導体レーザ装置において、前記第１～第４半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に接して別の放熱ブロックが配設されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項11】
請求項１０に記載の半導体レーザ装置において、前記別の放熱ブロックは、冷媒が流れる流路を構成する溝部が形成された下部放熱ブロックと、前記下部放熱ブロックの上面に接して配設されるとともに、前記溝部の上側に互いに間隔をあけて形成された少なくとも３つの開口を有する絶縁シール材と、３つの前記開口をそれぞれ覆うように前記絶縁シール材の上面に接するとともに、互いに間隔をあけて配設された第３～第５上部放熱ブロックとで構成され、
前記別の放熱ブロックは、前記第１～第３上部放熱ブロックの上面を下にして、前記第１～第４半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に配設されており、
前記第３上部放熱ブロックの上面が前記第１半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に、前記第４上部放熱ブロックの上面が前記第２及び第３半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に、前記第５上部放熱ブロックの上面が前記第３半導体レーザモジュールの上部電極ブロックの上面に、それぞれ接していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項12】
請求項１１に記載の半導体レーザ装置において、前記別の放熱ブロックに設けられた冷媒の流入口及び排出口は、上面視で、前記放熱ブロックに設けられた冷媒の流入口及び排出口と反対側に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項13】
請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、前記第１～第４半導体レーザモジュールの上部電極ブロックは、上面視で外形が同じであり、
前記第１～第４半導体レーザモジュールの下部電極ブロックは、上面視で外形が同じであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項14】
請求項１３に記載の半導体レーザ装置において、前記第１～第４半導体レーザモジュールの上部電極ブロックと前記第１～第４半導体レーザモジュールの下部電極ブロックは、上面視でそれぞれ外形が同じであることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項15】
請求項８ないし１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、前記第１及び第３半導体レーザモジュールの下部電極ブロックに、前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を収容する凹部が形成され、
前記第２及び第４半導体レーザモジュールの上部電極ブロックに、前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を収容する凹部が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、内部に冷媒が流れる流路が形成された放熱ブロックを有する半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、レーザ光を用いた金属加工の需要が高まっており、レーザ装置の高出力化が要求されており、光－電気変換効率の高い半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置が注目されている。しかし、半導体レーザ装置の高出力化に伴い、半導体レーザ素子に流れる電流量が大きくなり、ジュール熱により半導体レーザ素子の温度が上昇し、性能の低下や素子の劣化、故障等を引き起こすおそれがある。
【0003】
そこで、従来、半導体レーザ素子及びサブマウントを上下から電極ブロックで挟み込み、電極ブロックを介して半導体レーザ素子で発生した熱を排出する構造の半導体レーザ装置が提案されている。特許文献１には、半導体レーザ素子及びサブマウントが配設された第１の電極ブロックと、半導体レーザ素子及びサブマウントを上方から覆うように設けられた第２の電極ブロックとを、各々の部材に設けられたねじ孔にねじを締結することにより一体化する構造が開示されている。
【0004】
また、半導体レーザ素子とサブマウントとが配設されるヒートシンク内に冷却水を流すための流路を設け、半導体レーザ素子を冷却する構造が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第２０１６／１０３５３６号
【文献】特開２００８－１７２１４１号公報
【文献】特許第３９５１９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、特許文献２，３に開示されるような従来の構成において、内部に冷却水が流れるヒートシンクと半導体レーザ素子との間には、両者を電気的に絶縁するための樹脂やセラミック等の絶縁性材料からなる絶縁部を設ける必要がある。
【0007】
しかし、絶縁性材料は一般に熱伝導率が低く、上記の絶縁部を設けることにより、半導体レーザ素子で発生した熱の排出効率を低下させていた。このことは、半導体レーザ装置の高出力化を妨げる要因となっていた。
【0008】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、内部に冷媒が流れる流路を有する放熱ブロックに半導体レーザ素子が配設された半導体レーザ装置において、高い冷却効率を有する半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ装置は、冷媒が流れる流路が内部に設けられた放熱ブロックと、前記放熱ブロックに配設された第１及び第２半導体レーザモジュールと、を少なくとも備えた半導体レーザ装置であって、前記放熱ブロックは、前記流路を構成する溝部が形成された下部放熱ブロックと、前記下部放熱ブロックの上面に接して配設され、前記溝部の上側に開口を有する絶縁シール材と、前記開口を覆うように前記絶縁シール材の上面に接して配設された導電性材料からなる上部放熱ブロックと、を有し、前記第１半導体レーザモジュールは正極側を下にして前記上部放熱ブロックの上面に接して配設される一方、前記第２半導体レーザモジュールは負極側を下にして前記上部放熱ブロックの上面に接して配設されていることを特徴とする。
【0010】
この構成によれば、絶縁シール材の開口の上方に位置する上部放熱ブロックを冷媒により直接冷却できるため、上部放熱ブロックの上面に接して配設された第１及び第２半導体レーザモジュールで発生した熱を、冷媒を介して速やかに半導体レーザ装置の外部に排出することで、半導体レーザモジュールの冷却効率を高めることができる。また、半導体レーザ素子に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置を高出力化できる。
【発明の効果】
【0011】
本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザモジュールの冷却効率を高めることができる。また、半導体レーザ装置の高出力化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【0014】
（実施形態１）
［半導体レーザ装置及びその構成部品の構成］
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を示し、図２は、前方側面の模式図を示す。なお、図２において、半導体レーザ装置１００及び各部の構造は模式図として例示的に示している。従って、図２において、各部の形状、位置、配置関係、寸法は実際の関係とは異なるものである。また、説明の便宜上、図２において、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０や放熱ブロック６０やブスバー５１～５３の細部の図示を省略している。また、モジュール固定ねじ９０や端子固定ねじ９１も図示を省略している。
［半導体レーザ装置及びその構成部品の構成］
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を示し、図２は、前方側面の模式図を示す。なお、図２において、半導体レーザ装置１００及び各部の構造は模式図として例示的に示している。従って、図２において、各部の形状、位置、配置関係、寸法は実際の関係とは異なるものである。また、説明の便宜上、図２において、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０や放熱ブロック６０やブスバー５１～５３の細部の図示を省略している。また、モジュール固定ねじ９０や端子固定ねじ９１も図示を省略している。
【0015】
なお、以降の説明において、図１，２における半導体レーザ装置１００における放熱ブロック６０が配設された側を下側または下と、その反対側、つまり、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０が配設された側を上側または上と呼ぶことがある。また、放熱ブロック６０の流入口６６ａ及び排出口６６ｂが設けられた側を右側または右と、その反対側を左側または左と呼ぶことがある。また、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０において、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４のレーザ光出射端面が配設された側を前側または前と、その反対側を後側または後と呼ぶことがある。
【0016】
また、図３は、放熱ブロックの分解斜視図を示す。図４Ａは、半導体レーザモジュールの斜視図を、図４Ｂは、図４Ａに示す半導体レーザモジュールの分解斜視図をそれぞれ示す。なお、説明の便宜上、図４Ａ，４Ｂにおいて、第１半導体レーザモジュール１０のみを示している。
【0017】
図１に示すように、半導体レーザ装置１００は、放熱ブロック６０と第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０とブスバー５１～５３とを有している。
【0018】
図３に示すように、放熱ブロック６０は、下部放熱ブロック６１と絶縁シール材６２と第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂとを有しており、下部放熱ブロック６１と絶縁シール材６２及び絶縁シール材６２と第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂとは、それぞれ所定の耐熱性を有する接着剤によって接合されている。ただし、これらの部材の接合方法は特にこれに限定されず、例えば、下部放熱ブロック６１と絶縁シール材６２と第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂとの四隅にそれぞれねじ孔（図示せず）を設け、ねじ等（図示せず）でこれらの部材を互いに締結するようにしてもよい。その場合は、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂと下部放熱ブロック６１との絶縁を図るために、各々のねじ孔の内面を絶縁性材料でコーティングするか、絶縁材料からなるねじまたは絶縁性材料で被覆されたねじを用いて各部材を互いに締結するのが好ましい。
【0019】
また、放熱ブロック６０の内部には、上面視でＵ字形状の流路６６が設けられている。冷媒の流入口６６ａは放熱ブロック６０の右側面かつ前側に設けられ、排出口６６ｂは放熱ブロック６０の右側面かつ流入口の後側に流入口６６ａと所定の間隔をあけて設けられている。外部から供給された冷媒が流入口６６ａから流入し、流路内を通過して、排出口６６ｂから外部に排出される。また、本実施形態において、冷媒として、抵抗率が所定値以上に調整された冷却水を用いており、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂから冷媒を介して漏電するのを抑制するように冷却水の抵抗率を管理することが好ましい。
【0020】
下部放熱ブロック６１は、例えば、銅または銅－アルミ合金あるいは銅とアルミの積層体等からなる金属製の部材であり、上面には流路６６を構成する溝部６５が形成されている。また、溝部６５以外の上面は平坦面である。
【0021】
絶縁シール材６２は、所定の絶縁性を有する材料からなり、例えば、絶縁性の樹脂やセラミック等からなる。絶縁シール材６２は、下部放熱ブロック６１における溝部６５以外の上面に接して配設されている。また、絶縁シール材６２には所定の間隔をあけて開口６２ａ，６２ｂがそれぞれ設けられており、上面視で開口６２ａ，６２ｂは溝部６５の上側に位置している。また、開口６２ａ，６２ｂは絶縁シール材６２を厚み方向に貫通している。絶縁シール材６２は、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂと下部放熱ブロック６１とを電気的に絶縁するとともに、流路６６から冷却水が漏れ出るのを防止するシール材としても機能する。
【0022】
第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂは、下部放熱ブロック６１と同じ材質からなる金属部材であり、絶縁シール材６２の開口６２ａ，６２ｂをそれぞれ覆うように、絶縁シール材６２の上面に接して配設されている。また、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂは互いに所定の間隔をあけて配設されている。このことにより、第１上部放熱ブロック６３ａの上面に配設された第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０と、第２上部放熱ブロック６３ｂの上面に配設された第３及び第４半導体レーザモジュール４０，４０とが互いに電気的に絶縁分離されている。ただし、後述するように、第２半導体レーザモジュール２０と第３半導体レーザモジュール３０とはブスバー５２によって電気的に接続されている。なお、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂと下部放熱ブロック６１とは互いに異なる材質であってもよいが、後述するように、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂには所定の大きさの電流がそれぞれ流れるため、導電性材料とする必要がある。
【0023】
また、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの前側には、それぞれ複数のねじ孔６４が形成されている。ねじ孔６４は第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂを貫通せずに、底面が第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの内部に留まっている。第１半導体レーザモジュール１０に設けられたねじ孔１１ａ，１６ａ（図４Ｂ参照）と、第１上部放熱ブロック６３ａに設けられたねじ孔とに挿入されたモジュール固定ねじ９０によって、第１半導体レーザモジュール１０が第１上部放熱ブロック６３ａに取付固定される。同様に、第２半導体レーザモジュール１０が第１上部放熱ブロック６３ａにまた、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０が第２上部放熱ブロック６３ｂにそれぞれ取付固定される。なお、ねじ孔６４が設けられた部分を除き、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの上面は平坦面である。
【0024】
図４Ａ，４Ｂに示すように、第１半導体レーザモジュール１０は、下部電極ブロック１１と絶縁シート１２とサブマウント１３と半導体レーザ素子１４と上部電極ブロック１６とを有している。また、図示しないが、第２～第４半導体レーザモジュール２０，３０，４０も同様の構成を備えている。従って、以下、第１半導体レーザモジュール１０の構成を例に取って説明する。
【0025】
下部電極ブロック１１は、導電材料からなる厚板状の部材である。例えば、銅（Ｃｕ）からなる板材にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをこの順にメッキして得られる。また、下部電極ブロック１１は、その下面が第１上部放熱ブロック６３ａの上面に接するように配設されている。また、下部電極ブロック１１は、上面及び前方側面の一部が切り欠かれて開放された切欠状の凹部１１ｂを有している。凹部１１ｂはサブマウント１３及び半導体レーザ素子１４が収容される部分であり、凹部１１ｂの前方開放部を通して、半導体レーザ素子１４からレーザ光が出射される。また、下部電極ブロック１１は、凹部１１ｂの左右に１箇所ずつ、凹部１１ｂと離間して設けられ、下部電極ブロック１１を貫通するねじ孔１１ａを有している。また、ねじ孔１１ａの後方かつ上面視で２つのねじ孔１１ａの間を通る線上にねじ孔（図示せず）を有している。このねじ孔は、下部電極ブロック１１の上面で開口する一方、その底面が下部電極ブロック１１の内部に留まっており、図１に示す端子固定ねじ９１が収容される。ねじ孔１１ａと第１上部放熱ブロック６３ａに設けられたねじ孔６４とが連通するように、下部電極ブロック１１は第１上部放熱ブロック６３ａの上面に配設される。なお、ねじ孔１１ａが設けられた部分を除き、下部電極ブロック１１の下面は平坦面であり、端子固定ねじ９１が収容されるねじ孔（図示せず）及び凹部１１ｂが設けられた部分を除き、下部電極ブロック１１の上面は平坦面である。
【0026】
絶縁シート１２は、下部電極ブロック１１の上面に凹部１１ｂを囲むように設けられており、下部電極ブロック１１に設けられたねじ孔１１ａと対応する位置に開口１２ａが設けられている。また、絶縁シート１２は、下部電極ブロック１１に上部電極ブロック１６を取り付ける際に、両者を電気的に絶縁する機能を有する。絶縁シート１２は、例えば、ポリイミドやセラミック等の絶縁材料からなる。
【0027】
サブマウント１３は、例えば銅タングステン（Ｃｕ：Ｗ）等の導電材料からなる。図４Ｂに示すように、サブマウント１３は、下部電極ブロック１１の前方側面とサブマウント１３の前方側面がほぼ一致するように凹部１１ｂ内に配設されている。また、サブマウント１３と下部電極ブロック１１とは図示しないハンダ材料により接着され、電気的に接続されている。ハンダ材料は、例えば、スズ（Ｓｎ）を９６．５％と銀（Ａｇ）を３．５％とを含んでいる。
【0028】
半導体レーザ素子１４は端面放射型の半導体レーザ素子である。また、半導体レーザ素子１４は下面に上側電極を、上面に下側電極をそれぞれ有しており（いずれも図示せず）、サブマウント１３の上面に上側電極が金スズ（Ａｕ－Ｓｎ）ハンダ等（図示せず）を介して配設されることで、サブマウント１３に電気的に接続されている。なお、本実施形態において、半導体レーザ素子１４の上側電極は正極（＋極）であり、下側電極は負極（－極）である。また、サブマウント１３の上面に半導体レーザ素子１４の上側電極が直接接するようにしてもよい。また、下側電極の上面には複数のバンプ１５が設けられている。半導体レーザ素子１４の共振器（図示せず）は、前後方向に延びて設けられており、半導体レーザ素子１４の前方側面が、レーザ光出射端面に相当する。また、半導体レーザ素子１４は、レーザ光出射端面とサブマウント１３の前方側面とがほぼ一致するようにサブマウント１３上に配設されている。なお、半導体レーザ素子１４における共振器の数は複数であってもよい。
【0029】
バンプ１５は、例えば金（Ａｕ）を材料とするワイヤを溶融させて形成した金バンプである。金は他の金属に比べて柔らかいため、半導体レーザ素子１４と上部電極ブロック１６とを接続する際にバンプが変形する。そのため、半導体レーザ素子１４と上部電極ブロック１６とに機械的なダメージをあまり与えることなく、両者の間を電気的に良好に接続することができる。なお、バンプの材料は金に限らず、導電性であって、半導体レーザ素子１４の下側電極と上部電極ブロック１６との電気的接続を確保できる材料であればよい。また、図示しないが、バンプと上部電極ブロック１６との間に金箔等の金属シートが挿入される。金属シートを挿入することにより、バンプ１５と金属シートとの接触面積を増加させることができ、バンプ１５と上部電極ブロック１６との間の接触抵抗を減少させることができる。なお、金属シートは金箔に限らず、他の導電材料からなるシートを用いてもよい。また、バンプ１５と上部電極ブロック１６との間に挿入される金属シートは複数枚であってもよいし、バンプ１５と上部電極ブロック１５との間の電気的接続が十分に良好であれば、金属シートを挿入しなくてもよい。
【0030】
上部電極ブロック１６は、凹部１１ｂの上方を覆うように、絶縁シート１２を挟んで下部電極ブロック１１の上面に設けられており、導電材料からなる厚板状の部材である。例えば、銅（Ｃｕ）からなる板材にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とをこの順にメッキして得られる。上部電極ブロック１６は、下部電極ブロック１１に設けられたねじ孔１１ａに連通する位置にねじ孔１６ａを有するとともに、ねじ孔１６ａの後方かつ上面視で２つのねじ孔１６ａの間を通る線上にねじ孔１６ｂを有している。ねじ孔１６ａは上部電極ブロック１６を貫通しているが、ねじ孔１６ｂは、その底面が上部電極ブロック１６の内部に留まっている。
【0031】
上部電極ブロック１６に設けられたねじ孔１６ａと、絶縁シート１２に設けられた開口１２ａと、下部電極ブロック１１に設けられたねじ孔１１ａと、第１上部放熱ブロック６３ａに設けられたねじ孔６４とに、モジュール固定ねじ９０が挿入されて締結されることで、これらの部材が位置決め固定される。なお、第１上部放熱ブロック６３ａと下部放熱ブロック６１及び下部電極ブロック１１と上部電極ブロック１６との絶縁を図るために、各々のねじ孔の内面を絶縁性材料でコーティングするか、モジュール固定ねじ９０を樹脂等の絶縁材料からなるねじまたは絶縁性材料で被覆されたねじとするのが好ましい。なお、ねじ孔１６ａ，１６ｂが設けられた部分を除き、上部電極ブロック１６の上面及び下面は平坦面である。また、上部電極ブロック１６と下部電極ブロック１１とは凹部１１ｂ以外の部分において厚みが同じであり、かつ、上面視で、上部電極ブロック１１と下部電極ブロック１６とは外形が同じになるように構成されている。なお、本願明細書において、「厚みが同じ」あるいは「外形が同じ」とは、上部電極ブロック１１及び下部電極ブロック１６の製造公差を含んで同じという意味であり、両者の厚みまたは外形が厳密に一致していなくてもよい。
【0032】
［半導体レーザモジュール間の電気的接続について］
図１に示すように、ブスバー５１～５３は、金属材料からなる板状の部材で、例えば、銅からなる。ブスバー５１の右端部、ブスバー５２の両端部及びブスバー５３の左端部には、それぞれ開口（図示せず）が形成されている。ブスバー５１に設けられた開口と第１半導体レーザモジュール１０の上部電極ブロック１６に設けられたねじ孔１６ｂとに端子固定ねじ９１を挿入して締結することで、第１半導体レーザモジュール１０にブスバー５１が取付けられる。同様に、ブスバー５３に設けられた開口と第４半導体レーザモジュール４０の上部電極ブロック４６に設けられたねじ孔とに端子固定ねじ９１を挿入して締結することで、第４半導体レーザモジュール４０にブスバー５３が取付けられる。ブスバー５１，５３はそれぞれ、図示しない外部電源に電気的に接続されており、具体的には、ブスバー５１にはグランド（ＧＮＤ）電位の電源端子（図示せず）が、ブスバー５３には正電位の電源端子（図示せず）が、それぞれ電気的に接続されている。従って、例えば、第１半導体レーザモジュール１０の上部電極ブロック１６は負極として機能し、下部電極ブロック１１は正極として機能する。
図１に示すように、ブスバー５１～５３は、金属材料からなる板状の部材で、例えば、銅からなる。ブスバー５１の右端部、ブスバー５２の両端部及びブスバー５３の左端部には、それぞれ開口（図示せず）が形成されている。ブスバー５１に設けられた開口と第１半導体レーザモジュール１０の上部電極ブロック１６に設けられたねじ孔１６ｂとに端子固定ねじ９１を挿入して締結することで、第１半導体レーザモジュール１０にブスバー５１が取付けられる。同様に、ブスバー５３に設けられた開口と第４半導体レーザモジュール４０の上部電極ブロック４６に設けられたねじ孔とに端子固定ねじ９１を挿入して締結することで、第４半導体レーザモジュール４０にブスバー５３が取付けられる。ブスバー５１，５３はそれぞれ、図示しない外部電源に電気的に接続されており、具体的には、ブスバー５１にはグランド（ＧＮＤ）電位の電源端子（図示せず）が、ブスバー５３には正電位の電源端子（図示せず）が、それぞれ電気的に接続されている。従って、例えば、第１半導体レーザモジュール１０の上部電極ブロック１６は負極として機能し、下部電極ブロック１１は正極として機能する。
【0033】
また、ブスバー５２の左端部に設けられた開口と第２半導体レーザモジュール２０の上部電極ブロック２６に設けられたねじ孔とに端子固定ねじ９１を挿入して締結するとともに、ブスバー５２の右端部に設けられた開口と第３半導体レーザモジュール３０の上部電極ブロック３６に設けられたねじ孔とに端子固定ねじ９１を挿入して締結することで、ブスバー５２が第２及び第３半導体レーザモジュール２０，３０に取付けられる。
【0034】
ここで、図２に示すように、半導体レーザ装置１００では、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０が直列に接続されている。具体的には、第１半導体レーザモジュール１０の上部電極ブロック１６にグランド電位のブスバー５１が接続され、第１半導体レーザモジュール１０の下部電極ブロック１１と第２半導体レーザモジュール２０の下部電極ブロック２１とが第１上部放熱ブロック６３ａを介して電気的に接続される。また、ブスバー５２によって、第２半導体レーザモジュール２０の上部電極ブロック２６と第３半導体レーザモジュール３０の上部電極ブロック３６とが電気的に接続される。さらに、第３半導体レーザモジュール３０の下部電極ブロック３１と第４半導体レーザモジュール４０の下部電極ブロック４１とが第２上部放熱ブロック６３ｂを介して電気的に接続され、第４半導体レーザモジュール４０の上部電極ブロック４６に正電位のブスバー５３が接続される。ここで、第１上部放熱ブロック６３ａと第２上部放熱ブロック６３ｂとは電気的に分離されているため、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の下部電極ブロック１１，２１と第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０の下部電極ブロック３１，４１とは電気的に分離される。
【0035】
また、図２から明らかなように、第１及び第３半導体レーザモジュール１０，３０の上部電極ブロック１６，３６と第２及び第４半導体レーザモジュール２０，４０の下部電極ブロック２１，４１とが負極として機能し、第１及び第３半導体レーザモジュール１０，３０の下部電極ブロック１１，３１と第２及び第４半導体レーザモジュール２０，４０の上部電極ブロック２６，４６とが正極として機能する。
【0036】
［半導体レーザ装置の熱排出について］
図示しない冷却水循環機構により、放熱ブロック６０内の流路６６に冷却水を流した状態で、ブスバー５３に所定の正の電圧を印加すると、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４にそれぞれ電流が流れ始め、所定のしきい値電流を越えると、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０のそれぞれからレーザ光が前方に出射される。
図示しない冷却水循環機構により、放熱ブロック６０内の流路６６に冷却水を流した状態で、ブスバー５３に所定の正の電圧を印加すると、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４にそれぞれ電流が流れ始め、所定のしきい値電流を越えると、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０のそれぞれからレーザ光が前方に出射される。
【0037】
このとき、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４でそれぞれ発生した熱は、主に２つの経路から外部に排出される。第１の熱排出経路は、各上部電極ブロック１６，２６，３６，４６から周囲の雰囲気中に排出される経路である。第２の熱排出経路は、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４からサブマウント１３，２３，３３，４３及び下部電極ブロック１１，２１，３１，４１を介して放熱ブロック６０の流路６６に排出される経路である。
【0038】
流路６６は、下部放熱ブロック６１に形成された溝部６５の上を第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂが覆うことで構成されており、前述したように、下部放熱ブロック６１と第１及び第２上部放熱ブロック５３ａ，６３ｂとの間に介在する絶縁シール材６２には開口６２ａ，６２ｂが設けられている。つまり、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの下面は、流路６６内を流れる冷却水に直接接触しており、第１及び第２上部放熱ブロック５３ａ，６３ｂは冷却水によって直接冷却されている。よって、熱伝導により各下部電極ブロック１１，２１，３１，４１から第１及び第２上部放熱ブロック５３ａ，６３ｂに伝搬した熱は、冷却水を介して速やかに半導体レーザ装置１００の外部に排出される。なお、排出口６６ｂから排出された冷却水は、図示しない冷媒循環機構により所定の温度まで冷却された後、再び流入口６６ａから流路６６内に供給される。
【0039】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１００は、冷却水が流れる流路６６が内部に設けられた放熱ブロック６０と、放熱ブロック６０に配設された第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０と、を備えている。
以上説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１００は、冷却水が流れる流路６６が内部に設けられた放熱ブロック６０と、放熱ブロック６０に配設された第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０と、を備えている。
【0040】
放熱ブロック６０は、流路６６を構成する溝部６５が形成された下部放熱ブロック６１と、下部放熱ブロック６１の上面に接して配設され、溝部６５の上側に開口６２ａ，６２ｂを有する絶縁シール材６２と、開口６２ａ，６２ｂを覆うように絶縁シール材６２の上面に接して配設された、導電性材料からなる第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂと、を有している。また、第１上部放熱ブロック６３ａと第２上部放熱ブロック６３ｂとは互いに所定の間隔をあけて設けられている。
【0041】
第１半導体レーザモジュール１０は正極側を下にして第１上部放熱ブロック６３ａの上面に接して配設される一方、第２半導体レーザモジュール２０は負極側を下にして第１上部放熱ブロック６３ａの上面に接して配設されている。また、第３半導体レーザモジュール３０は正極側を下にして第２上部放熱ブロック６３ｂの上面に接して配設される一方、第４半導体レーザモジュール４０は負極側を下にして第２上部放熱ブロック６３ｂの上面に接して配設されている。また、第２半導体レーザモジュール２０の正極側と第３半導体レーザモジュール３０の負極側とがブスバー５２によって電気的に接続されている。
【0042】
半導体レーザ装置１００をこのように構成することで、絶縁シール材６２の開口６２ａ，６２ｂの上方にそれぞれ位置する第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂを冷却水により直接冷却できるため、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの上面に接して配設された第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０で発生した熱を速やかに半導体レーザ装置１００の外部に排出することができる。つまり、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の冷却効率を高めることができる。また、このことにより、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置１００を高出力化できる。また、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂと下部放熱ブロック６１との間に絶縁シール材６２を介在させることにより、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０と下部放熱ブロック６１との絶縁が図れるとともに、流路６６内を流れる冷却水が外部に漏れ出るのを防止できる。
【0043】
また、第１上部放熱ブロック６３ａを電流経路として用いることができるため、導電部材を用いることなく、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０を直列接続することができる。同様に、第２上部放熱ブロック６３ｂを電流経路として用いることができるため、導電部材を用いることなく、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０を直列接続することができる。さらに、第２半導体レーザモジュール２０の正極側と第３半導体レーザモジュール３０の負極側をブスバー５２によって接続することで、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０を直列接続することができる。
【0044】
複数の半導体レーザモジュールを並列接続して高出力の半導体レーザ装置１００を実現しようとすると、半導体レーザ装置に接続される電源への負荷が増大するため、電源容量を大きくする必要があり、電源設備の大型化及び設備コストの上昇を招いていた。
【0045】
本実施形態によれば、電源への負荷が増大するのを抑制でき、電源の小型化を図ることができる。また、設備コストの上昇を抑制できる。
【0046】
また、放熱ブロック６０上に複数の半導体レーザモジュールを配置し、これらを電気的に分離した上でブスバー等の導電部材で直列接続する構成では、半導体レーザモジュール間の配置間隔を互いの絶縁が確保できる距離以上にあける必要があった。しかし、半導体レーザ装置１００を高出力化しようすると、印加される電圧自体も高くなり、半導体レーザモジュール間の絶縁距離を確保するために、半導体レーザ装置１００が大型化してしまっていた。また、多数の導電部材が必要になるとともに、電気抵抗を下げるため、各々の導電部材の厚みを増やす必要があるが、これは、コストの増大を招いていた。また、絶縁距離との関係で、導電部材の長さを所定以下にすることができず、電流経路全体での電気抵抗を十分に低下させることができなかった。
【0047】
一方、本実施形態によれば、第１上部放熱ブロック６３ａによって、第１半導体レーザモジュール１０と第２半導体レーザモジュール２０の間を電気的に接続するため、これらの間で絶縁のための間隔をあける必要が無い。同様に、第２上部放熱ブロック６３ｂによって、第３半導体レーザモジュール３０と第４半導体レーザモジュール４０の間で絶縁のための間隔をあける必要が無い。これらのことにより、半導体レーザ装置１００が大型化するのを抑制できる。また、半導体レーザモジュール間を接続する導電部材の個数を減らすことができ、コストが増大するのを抑制できる。
【0048】
第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０は、下部電極ブロック１１，２１，３１，４１と、これらの各々に対応して電気的に接続されたサブマウント１３，２３，３３，４３と、サブマウント１３，２３，３３，４３のそれぞれに配設され、かつ電気的に接続された半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４と、下部電極ブロック１１，２１，３１，４１とでサブマウント１３，２３，３３，４３と半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４との組をそれぞれ挟持するように設けられ、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４のそれぞれに電気的に接続される一方、絶縁シート１２によって下部電極ブロック１１，２１，３１，４１と電気的に絶縁された上部電極ブロック１６，２６，３６，４６と、をそれぞれ有している。
【0049】
第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の下部電極ブロック１１，２１が、それぞれ第１上部放熱ブロック６３ａの上面に接して配設されるとともに、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０の下部電極ブロック３１，４１が、それぞれ第２上部放熱ブロック６３ａの上面に接して配設されている。
【0050】
第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０をこのように構成することで、発熱源である半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４からそれぞれ下部電極ブロック１１，２１，３１，４１を介して速やかに熱を外部に排出することができる。
【0051】
また、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６は、それぞれ上面視で外形が同じであり、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の下部電極ブロック１１，２１，３１，４１は、それぞれ上面視で外形が同じであることが好ましい。
【0052】
このようにすることで、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０において、共通した形状の電極ブロックを用いることができ、コストを低減できる。
【0053】
さらに、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６と下部電極ブロック１１，２１，３１，４１とは、上面視でそれぞれ外形が同じであることが好ましい。第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６と下部電極ブロック１１，２１，３１，４１とのそれぞれにおいて、モジュール固定用のねじ孔及び端子固定用のねじ孔が、上面視で同じ位置にあることが、より好ましい。
【0054】
図２に示したように、第１及び第３半導体レーザモジュール１０，３０と第２及び第４半導体レーザモジュール２０，４０とは互いに上下反転した構成となっている。つまり、凹部が形成された電極ブロックの配置が上下反転している。この場合、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０のそれぞれにおいて、上部電極ブロック１６，２６，３６，４６の外形と下部電極ブロック１１，２１，３１，４１の外形とが異なると、これらを作り分ける必要があり、コストが増大してしまう。
【0055】
一方、本実施形態によれば、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０のそれぞれにおいて、上部電極ブロック１６，２６，３６，４６と下部電極ブロック１１，２１，３１，４１とを同じ外形とすることで、前述した作り分け等を行う必要が無く、コストが増加するのを抑制できる。
【0056】
また、本実施形態に係る半導体レーザ装置１００では、第１及び第３半導体レーザモジュール１０．３０の下部電極ブロック１１，３１に、サブマウント１３，３３及び半導体レーザ素子１４，３４をそれぞれ収容する凹部１１ｂ，３１ｂが形成され、第２及び第４半導体レーザモジュール２０，４０の上部電極ブロック２６，４６に、サブマウント２３，４３及び半導体レーザ素子２４，４４をそれぞれ収容する凹部２６ｃ，４６ｃが形成されている。
【0057】
このようにすることで、半導体レーザ素子の下側電極に接続される電極ブロックの位置を交互に上下反転させることができ、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０を簡便な構成で直列接続することができる。
【0058】
また、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０において、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４のレーザ光出射端面は、上面視で放熱ブロック６０の流路６６の近傍に位置しているのが好ましく、流路６０のうち冷却水の流入口６６ａから直接延びている部分の近傍に位置しているのがさらに好ましい。
【0059】
半導体レーザ素子の動作中に、レーザ光出射端面近傍の温度が最も上昇する。よって、レーザ光出射端面を、放熱ブロック６０の流路６６の近傍、特に、冷却水が加熱されずに流入口６６ａから直接流れる部分の近傍に配置することで、各々、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４を含む、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の冷却効率を高めることができる。
【0060】
第１上部放熱ブロック６３ａの上面と、これに接する第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の下部電極ブロック１１，２１の下面は、それぞれ平坦面であることが好ましい。また、第２上部放熱ブロック６３ｂの上面と、これに接する第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０の下部電極ブロック３１，４１の下面は、それぞれ平坦面であることが好ましい。
【0061】
このようにすることで、第１上部放熱ブロック６３と第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の下部電極ブロック１１，２１との接触面積を大きくでき、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の冷却効率を高めることができる。同様に、第２上部放熱ブロック６３ｂと第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０の下部電極ブロック３１，４１との接触面積を大きくでき、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０の冷却効率を高めることができる。
【0062】
＜変形例１＞
図５Ａ，５Ｂは、本変形例に係る半導体レーザ装置の前方側面の模式図を示し、半導体レーザ装置２００，３００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。
図５Ａ，５Ｂは、本変形例に係る半導体レーザ装置の前方側面の模式図を示し、半導体レーザ装置２００，３００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。
【0063】
本変形例に示す構成と実施形態１の図１に示す構成との違いは、１つの放熱ブロック７０に２つの半導体レーザモジュール１０，２０あるいは半導体レーザモジュール３０，４０のみが配設されている点にある。このため、本変形例に示す放熱ブロック７０では、図１～３に示す第２上部放熱ブロックが省略されており、下部放熱ブロック７１と絶縁シール材７２と第１上部放熱ブロック７３とで構成されている。なお、放熱ブロック７０の内部に流路７６が形成され、流路７６の一端が冷却水の流入口７６ａであり、他端が冷却水の排出口７６ｂであることは実施形態１に示す構成と同様である。また、図示しないが、絶縁シール材７２には開口が１つ設けられている。
【0064】
要求されるレーザ光出力の仕様によっては、半導体レーザ装置２００を図５Ａに示す構成としてもよい。放熱ブロック７０の構造を簡略化でき、半導体レーザ装置２００のコストを低減できる。
【0065】
また、図１に示す構成に代えて、半導体レーザ装置３００を図５Ｂに示す構成としてもよい。図５Ｂに示す構成は、図１に示す構成に比べて、構成部品の点数が増加し、また、隣り合う放熱ブロック７０の間隔を適切に離してやる必要がある。
【0066】
一方、前述したように、上面視で、流入口７６ａから流れ込んだ冷却水がそのままレーザ光出射端面の近傍を通過するようにすると、半導体レーザモジュールの冷却効率を高めることができる。よって、図５Ｂに示すように、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０が配設された放熱ブロック７０と、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０が配設された放熱ブロック７０とに対して、それぞれ独立に冷却水が流れるようにすることで、図１に示す構成に比べて、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の冷却効率をより高めることができる。
【0067】
＜変形例２＞
図６Ａは、比較のための半導体レーザ装置の前方側面の模式図を、図６Ｂは、本変形例に係る半導体レーザ装置の前方側面の模式図をそれぞれ示す。なお、図６Ａ，６Ｂに示す構成は図５Ａに示す構成と同様であるが、説明の便宜上、絶縁シール材を含め一部の図示を省略している。また、半導体レーザ装置２００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。さらに、説明の便宜上、半導体レーザ素子１４，２４と、これに対向する電極ブロック１６、２１との間隔をあけて図示しているが、実際には、これらの間にはバンプ及び金属シートが介在しており、半導体レーザ素子１４と上部電極ブロック１６とは接触している。同様に、半導体レーザ素子２４と下部電極ブロック２１とは接触している。
図６Ａは、比較のための半導体レーザ装置の前方側面の模式図を、図６Ｂは、本変形例に係る半導体レーザ装置の前方側面の模式図をそれぞれ示す。なお、図６Ａ，６Ｂに示す構成は図５Ａに示す構成と同様であるが、説明の便宜上、絶縁シール材を含め一部の図示を省略している。また、半導体レーザ装置２００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。さらに、説明の便宜上、半導体レーザ素子１４，２４と、これに対向する電極ブロック１６、２１との間隔をあけて図示しているが、実際には、これらの間にはバンプ及び金属シートが介在しており、半導体レーザ素子１４と上部電極ブロック１６とは接触している。同様に、半導体レーザ素子２４と下部電極ブロック２１とは接触している。
【0068】
半導体レーザ装置を単独あるいは複数個並置したレーザ装置において、搭載された半導体レーザ素子からそれぞれレーザ光を出射させる場合、これらのレーザ光を１つのレーザ光に光学的に結合することで、より高出力のレーザ光を得ることができる。また、各々の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を所定の方向に偏向する光偏向部材や集光レンズ等の光学部品を所定の位置に配置することで、上記の光学結合を行うことができる。
【0069】
このとき、基準面、例えば、第１上部放熱ブロック６３ａ及び／または第２上部放熱ブロック６３ｂの上面から、各半導体レーザ素子の発光点までの距離が等しいと、レーザ光を上下方向に偏向させる光偏向部材が不要となり、レーザ装置の構成が簡素化されるとともに、コストを低減できる。
【0070】
図６Ａ，６Ｂを例に取ると、基準面を第１上部放熱ブロック６３ａの上面とし、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０において、凹部が形成されていない電極ブロックの厚みをｔ１、凹部が形成された電極ブロックの凹部以外の部分の厚みをｔ２、凹部の深さをｄ１、サブマウント１３，２３の厚みと、サブマウント１３，２３にそれぞれ載置された半導体レーザ素子１４，２４の底面から発光点までの距離をｄ２とする。このとき、基準面から第１半導体レーザモジュール１０の発光点までの距離Ｄ１、基準面から第２半導体レーザモジュールの発光点までの距離Ｄ２及びＤ２－Ｄ１は、それぞれ、式（１）～式（３）で表わされる。
【0071】
Ｄ１＝ｔ２－ｄ１＋ｄ２ ・・・（１）
Ｄ２＝ｔ１＋ｄ１－ｄ２ ・・・（２）
Ｄ２－Ｄ１＝（ｔ１－ｔ２）＋２（ｄ１－ｄ２） ・・・（３）
Ｄ２＝ｔ１＋ｄ１－ｄ２ ・・・（２）
Ｄ２－Ｄ１＝（ｔ１－ｔ２）＋２（ｄ１－ｄ２） ・・・（３）
【0072】
なお、サブマウント１３，２３の厚みには、図示しないサブマウント１３，２３と半導体レーザ素子１４，２４との接着層も含まれる。また、絶縁シート１２の厚みは第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０のそれぞれで同じであるため、説明の便宜上、式（１）～（３）において、絶縁シート１２の厚みを考慮していない。
【0073】
ここで、ｔ１＝ｔ２とすると、つまり、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０において、上部電極ブロック１６，２６及び下部電極ブロック１１，２１の厚みがそれぞれ同じであるとすると、
Ｄ２－Ｄ１＝２（ｄ１－ｄ２） ・・・（４）
Ｄ２－Ｄ１＝２（ｄ１－ｄ２） ・・・（４）
【0074】
また、前述したように、半導体レーザ素子１４，２４にはバンプ５０が形成されているため、ｄ１＞ｄ２である。よって、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０において、基準面から発光点までの距離がそれぞれ異なる。よって、上記の光学結合を行うためには、第１半導体レーザモジュール１０または第２半導体レーザモジュール２０から出射されるレーザ光のいずれかを上下方向に偏向する必要があり、レーザ装置の構成が複雑となりコストが上昇する。
【0075】
このような不具合を解消するため、図６Ｂに示すように、つまり、式（３）の左辺が零となるように、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０において、上部電極ブロック１６及び下部電極ブロック２１の厚みを調整してもよい。
【0076】
このとき、
ｔ１＝ｔ２－２（ｄ１－ｄ２） ・・・（５）
の関係が成り立つ。
ｔ１＝ｔ２－２（ｄ１－ｄ２） ・・・（５）
の関係が成り立つ。
【0077】
ただし、この場合、下部電極ブロック１１，２１の厚みがそれぞれことなるため、第１半導体レーザモジュール１０における流路６６及び外部への放熱効率と第２半導体レーザモジュール２０における流路６６及び外部への放熱効率とが異なってしまうことがある。このため、各半導体レーザモジュールでの放熱効率が同じになるようにするか、あるいは、発光点位置が同じになるようにするかは、レーザ装置における要求仕様等に応じて適宜選択される。
【0078】
なお、実施形態１に示すのと同様に、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０の上部電極ブロック１６，２６及び下部電極ブロック１１，２１をそれぞれ、上面視で同じ外形とし、第１及び第２半導体レーザモジュール１０，２０のそれぞれの上部電極ブロック１６，２６及び下部電極ブロック１１，２１において、モジュール固定用のねじ孔及び端子固定用のねじ孔が、上面視で同じ位置に配置することで、作り分けが必要な電極ブロックの種類を２種類に抑えることができる。なお、第３及び第４半導体レーザモジュール３０，４０においても同様の議論が成り立つことは言うまでもない。
【0079】
（実施形態２）
図７は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の分解斜視図を、図８は、前方側面の模式図を、図９は、別の放熱ブロックの分解斜視図をそれぞれ示す。なお、図８において、半導体レーザ装置４００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。
図７は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の分解斜視図を、図８は、前方側面の模式図を、図９は、別の放熱ブロックの分解斜視図をそれぞれ示す。なお、図８において、半導体レーザ装置４００の各部の形状、位置、配置関係、寸法については、図２に示すのと同様に、実際の関係とは異なるものである。また、各部の細部の図示を省略している。
【0080】
実施形態１の図１に示す構成に対して、本実施形態に示す半導体レーザ装置４００は、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６の上面に別の放熱ブロック８０が配置されている点で異なる。
【0081】
前述したように、図１に示す構成において、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４から上部電極ブロック１６，２６，３６，４６にそれぞれ伝わる熱は、上部電極ブロック１６，２６，３６，４６の表面から外部雰囲気に排出される。しかし、この熱排出経路は、下部電極ブロック１１，２１，３１，４１と放熱ブロック６０の流路６６内に流れる冷却水とを介して、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４で発生した熱を外部に排出する経路よりも冷却効率が低い。
【0082】
また、一般に、半導体レーザ素子において、下側電極（負極）よりも上側電極（正極）に近い側に発光点があり（図６Ａ，６Ｂ参照）、半導体レーザ素子の動作中には、この発光点近傍で最も温度が上昇する。このため、通常、上側電極がサブマウントに熱的に接触するように半導体レーザ素子は実装される。
【0083】
一方、例えば、図２に示すように、第２半導体レーザモジュール２０や第４半導体レーザモジュール４０では、サブマウント２３，４３がそれぞれ配置された上部電極ブロック２６，４６は、放熱ブロック６０に接触しておらず、これらの半導体レーザモジュールの冷却効率は十分なものとは言えなかった。
【0084】
本実施形態によれば、この点を改善することができる。以下、このことについて説明する。
【0085】
図９に示すように、別の放熱ブロック８０は、絶縁シール材８２に３つの開口８２ａ～８２ｃが設けられ、それぞれを覆うように第３～第５上部電極ブロック８３ａ～８３ｃが設けられている点で、図３Ａ，３Ｂに示す構成と異なるが、それ以外は材質も含めて放熱ブロック６０と同様である。例えば、流路８６を構成する溝部８５は、上面視でＵ字形状である（図９参照）。実施形態１に示す構成と同様に、３つの開口８２ａ～８２ｃはいずれも絶縁シール材８２を厚み方向に貫通している。なお、各半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上面に熱の放熱ブロック８０が配設されるため、モジュール固定ねじ９０ａの頭は、各上部電極ブロック１６，２６，３６，４６の上面と同じか、これらよりも下方に位置している。また、端子固定ねじ９１は設けられていない。
【0086】
なお、実際の配設方向と上下関係が異なるが、別の放熱ブロック８０において、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６の上面に配設された部材を第３～第５上部放熱ブロック８３ａ～８３ｃと、流路８６を構成する溝部８５が形成されたブロックを下部放熱ブロック８１と呼ぶこととする。従って、別の放熱ブロック８０の第３～第５上部放熱ブロック８３ａ～８３ｃの上面は流路８６内を流れる冷却水に直接、接触している。
【0087】
本実施形態によれば、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４から半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上部電極ブロック１６，２６，３６，４６にそれぞれ伝わる熱を、第３～第５上部放熱ブロック８３ａ～８３ｃ及び流路８６内に流れる冷却水を介して外部に効率良く排出することができる。このことにより、半導体レーザ素子１４，２４，３４，４４に流す電流量を増やして、半導体レーザ装置４００のさらなる高出力化が図れる。
【0088】
また、本実施形態によれば、図１に示すブスバー５１～５３を省略することができる。図８に示すように、別の放熱ブロック８０の第４上部放熱ブロック８３ｂは、第２及び第３半導体レーザモジュール２０，３０の上部電極ブロック２６，３６の上面に接して配設され、図１に示すブスバー５２と同様の機能、つまり、第２半導体レーザモジュール２０と第３半導体レーザモジュール３０とを電気的に接続する機能を奏する。
【0089】
半導体レーザ装置４００をこのような構成とすることで、図１に示す構成に比べて、実装される部品点数を低減できるとともに、部品コスト及び組立コストを低減することができる。また、簡便な構成で、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０を直列接続することができる。なお、この場合、第３上部放熱ブロック８３ａにグランド電位の電源端子（図示せず）が、第５上部放熱ブロック８３ｃに正電位の電源端子（図示せず）が、それぞれ電気的に接続される。
【0090】
また、本実施形態の別の放熱ブロック８０において、冷却水の流入口８６ａは左側面かつ前側に設けられ、排出口８６ｂは左側面かつ流入口８６ａの後側に流入口８６ａと所定の間隔をあけて設けられている。つまり、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の下面に配設された放熱ブロック６０と、流入口及び排出口の配置が左右反転した構造となっている。
【0091】
放熱ブロック６０の流入口６６ａから流路６６内に流れ込む冷却水は、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の下方を順次通過するにつれて、流入した熱により温度が次第に上昇する。同様に、別の放熱ブロック８０においても、冷却水は、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上方を順次通過するにつれて、流入した熱により温度が次第に上昇する。この場合、放熱ブロック６０の流入口６６ａから流れ込む冷却水と、別の放熱ブロック８０の流入口８６ａから流れ込む冷却水とが同じ方向に進行すると、流入口に近い半導体レーザモジュールと流入口から遠い半導体レーザモジュールとで冷却効率が異なってしまう。半導体レーザ装置４００を長期間使用する場合に、このような状態が続くと、個々の半導体レーザモジュールでの劣化度合いが異なってしまい、結果として、半導体レーザ装置４００の寿命を低下させるおそれがあった。
【0092】
一方、本実施形態によれば、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の下方を流れる冷却水の進行方向と、第１～第４半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の上方を流れる冷却水の進行方向とを互いに反対向きにすることで、例えば、図７，８に示す構成において、４つ並置された半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０の左端に位置する第１半導体レーザモジュール１０と右端に位置する第４半導体レーザモジュール４０とでの冷却効率の差を小さくし、半導体レーザ装置４００の寿命低下を抑制することができる。
【0093】
（その他の実施形態）
実施形態１，２において、同じ放熱ブロック６０の上に４つの半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０を配設する例を示したが、特にこれに限定されず、偶数個の半導体レーザモジュールが同じ放熱ブロックの上に配設されていてもよい。ただし、その場合は、一つの上部放熱ブロックに２個ずつの半導体レーザモジュールを配設し、互いに隣り合う上部放熱ブロックの間隔を所定の距離以上にあけて半導体レーザモジュール間の絶縁を図る必要がある。また、半導体レーザモジュールの上方に別の放熱ブロック８０を配設する場合は、同じ放熱ブロック６０の上にｎ個（ｎは４以上の偶数）の半導体レーザモジュールが配設される。
実施形態１，２において、同じ放熱ブロック６０の上に４つの半導体レーザモジュール１０，２０，３０，４０を配設する例を示したが、特にこれに限定されず、偶数個の半導体レーザモジュールが同じ放熱ブロックの上に配設されていてもよい。ただし、その場合は、一つの上部放熱ブロックに２個ずつの半導体レーザモジュールを配設し、互いに隣り合う上部放熱ブロックの間隔を所定の距離以上にあけて半導体レーザモジュール間の絶縁を図る必要がある。また、半導体レーザモジュールの上方に別の放熱ブロック８０を配設する場合は、同じ放熱ブロック６０の上にｎ個（ｎは４以上の偶数）の半導体レーザモジュールが配設される。
【0094】
なお、図１に示す構成において、第１及び第３半導体レーザモジュール１０，３０の上部電極ブロック１６，３６の下面であって、凹部１１ｂ，３１ｂを覆う位置に図示しない金属層が設けられていてもよい。このように金属層を設けることで、金属シートと接触して、バンプ５０と上部電極ブロック１６，３６とを電気的に接続するとともに、バンプ５０の側面に入り込んでバンプ５０と上部電極ブロック１６，３６との間の接触抵抗を減少させることができる。なお、金属層は金を用いるのが好ましいが、他の導電材料を用いてもよい。ただし、上部電極ブロック１６，３６を下部電極ブロック２１，３１にそれぞれ取り付ける際に、バンプ５０が大きく変形したり、あるいは脱離したりしないように硬度等を考慮する必要がある。同様に、第２及び第４半導体レーザモジュール２０，４０の下部電極ブロック２１，４１の上面であって、第１及び第３半導体レーザモジュール１０，３０の上部電極ブロック１６，３６の凹部１６ｃ，３６ｃに対向する位置に金属層を設けてもよい。上記と同様の効果を奏することができる。
【0095】
また、冷媒として冷却水を用いる例を示したが、水以外の冷媒、例えば、不凍液等を用いてもよい。なお、半導体レーザ素子を過度に冷却する、例えば、数℃まで冷却すると、レーザ出射光端面等で結露するおそれがある。このような結露が生じると、レーザ発振が起こらなくなったり、場合によっては半導体レーザ装置が破損したりするおそれがある。また、半導体レーザ素子の温度が６０℃を大きく越えると光出力特性が変化し、所望の出力が得られない場合がある。よって、動作中の半導体レーザ素子が１０℃～４０℃程度の温度に維持できるように冷媒の種類を選択するか、冷媒の温度管理をするのが好ましい。
【0096】
また、第１及び第２上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂの下面を絶縁材料で覆うようにしてもよい。同様に、第３～第５上部放熱ブロック８３ａ～８３ｃの下面（流路の一面を構成する面）を絶縁材料で覆うようにしてもよい。
【0097】
冷却水を長期間使用していると、図示しない配管等から不純物が溶け出すことで、冷却水の抵抗率が低下してしまうことがあり、冷却水を介した漏電をうまく防止できないことがある。また、冷媒の種類によっては、抵抗率を所望値以上に高めることができない場合もあり得る。
【0098】
このような場合に、上記のように、第１～第５上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂ，８３ａ～８３ｃのうち冷却水等の冷媒が直接、接触する面を絶縁材料で覆うことにより、冷媒を介した漏電の発生を防止することができる。なお、第１～第５上部放熱ブロック６３ａ，６３ｂ，８３ａ～８３ｃから冷媒への熱排出効率を低下させないように、絶縁材料の熱伝導率や厚みを適切に設定する必要がある。
【0099】
また、変形例を含む上記の実施形態において、上部電極ブロックと下部電極ブロックとの形状、例えば、上面視での外形が異なっていてもよい。
【0100】
また、これに限らず、上記の各実施形態及び変形例で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0101】
本発明に係る半導体レーザ装置は、搭載される半導体レーザモジュールの冷却効率を高めることができ、レーザ加工装置等のレーザ光源に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【0102】
１０ 第１半導体レーザモジュール
１１ 下部電極ブロック
１１ａ ねじ孔
１１ｂ ねじ孔
１２ 絶縁シート
１２ａ 開口
１３ サブマウント
１４ 半導体レーザ素子
１５ バンプ
１６ 上部電極ブロック
１６ａ ねじ孔
１６ｂ ねじ孔
２０ 第２半導体レーザモジュール
２１ 下部電極ブロック
２３ サブマウント
２４ 半導体レーザ素子
２６ 上部電極ブロック
２６ｃ 凹部
３０ 第３半導体レーザモジュール
３１ 下部電極ブロック
３１ｂ 凹部
３３ サブマウント
３４ 半導体レーザ素子
３６ 上部電極ブロック
４０ 第４半導体レーザモジュール
４１ 下部電極ブロック
４３ サブマウント
４４ 半導体レーザ素子
４６ 上部電極ブロック
４６ｃ 凹部
５１～５３ ブスバー
６０，７０ 放熱ブロック
６１，７１ 下部放熱ブロック
６２，７２ 絶縁シール材
６２ａ，６２ｂ 開口
６３ａ，７３ａ 第１上部放熱ブロック
６３ｂ 第２上部放熱ブロック
６４ ねじ孔
６５ 溝部
６６，７６ 流路
６６ａ，７６ａ 流入口
６６ｂ，７６ｂ 排出口
８０ 別の放熱ブロック
８１ 下部放熱ブロック
８２ 絶縁シール材
８２ａ～８２ｃ 開口
８３ａ 第３上部放熱ブロック
８３ｂ 第４上部放熱ブロック
８３ｃ 第５上部放熱ブロック
９０，９０ａ モジュール固定ねじ
９１ 端子固定ねじ
１００，２００，３００，４００ 半導体レーザ装置
１１ 下部電極ブロック
１１ａ ねじ孔
１１ｂ ねじ孔
１２ 絶縁シート
１２ａ 開口
１３ サブマウント
１４ 半導体レーザ素子
１５ バンプ
１６ 上部電極ブロック
１６ａ ねじ孔
１６ｂ ねじ孔
２０ 第２半導体レーザモジュール
２１ 下部電極ブロック
２３ サブマウント
２４ 半導体レーザ素子
２６ 上部電極ブロック
２６ｃ 凹部
３０ 第３半導体レーザモジュール
３１ 下部電極ブロック
３１ｂ 凹部
３３ サブマウント
３４ 半導体レーザ素子
３６ 上部電極ブロック
４０ 第４半導体レーザモジュール
４１ 下部電極ブロック
４３ サブマウント
４４ 半導体レーザ素子
４６ 上部電極ブロック
４６ｃ 凹部
５１～５３ ブスバー
６０，７０ 放熱ブロック
６１，７１ 下部放熱ブロック
６２，７２ 絶縁シール材
６２ａ，６２ｂ 開口
６３ａ，７３ａ 第１上部放熱ブロック
６３ｂ 第２上部放熱ブロック
６４ ねじ孔
６５ 溝部
６６，７６ 流路
６６ａ，７６ａ 流入口
６６ｂ，７６ｂ 排出口
８０ 別の放熱ブロック
８１ 下部放熱ブロック
８２ 絶縁シール材
８２ａ～８２ｃ 開口
８３ａ 第３上部放熱ブロック
８３ｂ 第４上部放熱ブロック
８３ｃ 第５上部放熱ブロック
９０，９０ａ モジュール固定ねじ
９１ 端子固定ねじ
１００，２００，３００，４００ 半導体レーザ装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】