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JP2012089584A - Semiconductor laser apparatus - Google Patents

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JP2012089584A
JP2012089584A JP2010232969A JP2010232969A JP2012089584A JP 2012089584 A JP2012089584 A JP 2012089584A JP 2010232969 A JP2010232969 A JP 2010232969A JP 2010232969 A JP2010232969 A JP 2010232969A JP 2012089584 A JP2012089584 A JP 2012089584A
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Japan
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semiconductor laser
heat sink
submount
fixed
reinforcing body
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Application number
JP2010232969A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuto Kageyama
進人 影山
Hirobumi Miyajima
博文 宮島
Hirobumi Suga
博文 菅
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Priority to CN201180049763.XA priority patent/CN103155310B/en
Priority to US13/877,911 priority patent/US8879592B2/en
Priority to PCT/JP2011/073433 priority patent/WO2012050132A1/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser apparatus which suppresses the deterioration of light emission characteristics.SOLUTION: A semiconductor laser apparatus of this invention is formed by laminating multiple semiconductor laser units 10. Each semiconductor laser unit 10 includes a liquid cooling type heat sink 1 having a plate shape and forming a fluid channel therein, a semiconductor laser module 2 which includes a semiconductor laser bar and is fixed to one side surface of the heat sink 1, and a molybdenum reinforcement body 3 fixed to a position on the other side surface of the heat sink 1, which faces the semiconductor laser module 2, and having a linear expansion coefficient smaller than that of the heat sink 1.

Description

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。   The present invention relates to a semiconductor laser device provided with a heat sink.

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。   Conventional semiconductor laser devices are described in, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3.

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。   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 μm. In this semiconductor laser device, 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.

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。   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.

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。   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.

特開2007−73549号公報JP 2007-73549 A 特開2007−73549号公報JP 2007-73549 A 特許第4002234号公報Japanese Patent No. 4002234

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、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。   However, when a semiconductor laser stack is configured by combining a semiconductor laser module and a high-quality liquid-cooled heat sink, the warpage of the semiconductor laser module itself should be suppressed by the submount, but the emission point position from the semiconductor laser module However, the deterioration of the light emission characteristics was observed in which the target light emission distribution could not be obtained because the target light emission distribution was not obtained.

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。   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 in light emission characteristics.

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。   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. However, recent high-quality liquid-cooled heat sinks have high cooling efficiency and are downsized. However, since the thickness is small, 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.

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。   In order to solve the above-described problems, a semiconductor laser device according to the present invention 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, wherein one surface of the molybdenum reinforcement body in one semiconductor laser unit is fixed to the heat sink of its own semiconductor laser unit, and the other surface Is in the semiconductor laser module of another semiconductor laser unit Characterized in that it is a constant.

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。   According to the semiconductor laser of the present invention, the liquid-cooled heat sink has high performance. However, as described above, when the thickness is small, the difference in linear expansion coefficient from the laser module (semiconductor laser bar + submount) There is a tendency to bend. However, it was found that 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. In particular, when all the semiconductor laser units are stacked and have an adhesive layer that is thermally melted between the elements, the adhesive layer is disposed between the elements, and heat is simultaneously applied to fix them. In this case, 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.

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。   The molybdenum reinforcing body is a reinforcing body containing molybdenum as a main component (weight percent 80% or more), but the same effect can be obtained even if some impurities are mixed.

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。   According to the semiconductor laser device of the present invention, it is possible to suppress the deterioration of the light emission characteristics.

半導体レーザ装置の斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser device. 半導体レーザ装置を矢印II方向から見た側面図である。It is the side view which looked at the semiconductor laser apparatus from the arrow II direction. 半導体レーザ装置を矢印III方向から見た正面図である。It is the front view which looked at the semiconductor laser apparatus from the arrow III direction. 半導体レーザユニットの斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser unit. 半導体レーザユニットを矢印V方向から見た側面図である。It is the side view which looked at the semiconductor laser unit from the arrow V direction. 半導体レーザユニットを矢印VI方向から見た正面図である。It is the front view which looked at the semiconductor laser unit from the arrow VI direction. 半導体レーザユニットの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a semiconductor laser unit. 半導体レーザバーの斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser bar. 液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。It is an exploded perspective view of a liquid cooling type heat sink. 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。It is a front view of the semiconductor laser apparatus which enlarged the width direction dimension of the heat sink. 比較例となる半導体レーザユニットの正面図である。It is a front view of the semiconductor laser unit used as a comparative example.

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。   Hereinafter, the semiconductor laser device according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1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。   1 is a perspective view of a semiconductor laser device in which a plurality of semiconductor laser units 10 are stacked, FIG. 2 is a side view of the semiconductor laser device viewed from the direction of arrow II, and FIG. 3 is a side view of the semiconductor laser device from the direction of arrow III. FIG.

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。   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.

個々の半導体レーザユニット10は、その詳細構造が図4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。   The detailed structure of each semiconductor laser unit 10 is shown in FIG. 4 and subsequent figures, but 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.

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。   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 body 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.

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。   Since the expansion / contraction amount according to the temperature of one heat sink 1 is limited by the reinforcing body 3 having a low linear expansion coefficient, there is an advantage that the heat sink 1 itself is not easily distorted. Therefore, bending of the semiconductor laser unit 2 due to the distortion of the heat sink 1 is suppressed. Of course, when paying attention to the semiconductor laser unit 10 (e.g., the central semiconductor laser unit) located at positions other than both ends in the vertical direction, the lower heat sink 1 in which expansion and contraction is suppressed, Since the upper reinforcing body 3 comes into contact, the curvature of the semiconductor laser module 2 itself is remarkably suppressed.

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。   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.

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。   In the case where the semiconductor laser units 10 are stacked, 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. Of course, after the units 10 are fixed and completed using the adhesive layers t1, t2, t3, and t5, the units 10 can be bonded to each other via the adhesive layer.

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。   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. In this example, the spacer 4 is made of silicone resin (rubber), and no adhesive layer is interposed between the spacer 4 and the heat sink.

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。   When the semiconductor laser stack is driven, 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.

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2参照)、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。   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 (see FIG. 2) 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.

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2参照)、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。   If necessary, O-rings R2 and R3 are disposed 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. 2). It is preferable to improve the sealing performance between the contacting members.

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。   Next, the structure of each semiconductor laser unit 10 will be described.

図4は、半導体レーザユニットの斜視図、図5は、半導体レーザユニットを矢印V方向から見た側面図、図6は半導体レーザユニットを矢印VI方向から見た正面図である。   4 is a perspective view of the semiconductor laser unit, FIG. 5 is a side view of the semiconductor laser unit viewed from the direction of arrow V, and FIG. 6 is a front view of the semiconductor laser unit viewed from the direction of arrow VI.

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。   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. And 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. .

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。   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.

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。   In the laser module 2, a semiconductor laser bar 2b is 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. In addition, 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).

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。   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 may be 50 to 200 μm. it can.

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。   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 linear expansion coefficient smaller 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.

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。   Here, it is preferable to use a Cu—W alloy for the submount, and it is preferable to use the reinforcing body 3 molybdenum. One reason is that the stress applied to the heat sink 1 at the time of expansion and contraction is offset, but the following effects are also obtained. That is, the Cu—W alloy has good heat conduction and is close in expansion coefficient to the semiconductor laser bar, so that it is convenient as a submount of the semiconductor laser bar. In addition, since the submount also requires an element as an electrode, it is made of a metal material for electrical conduction.

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)
Suppose that 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 ranges) of each component are as follows.
(1) Dimensions of heat sink 1 in the X direction length X1: 30 mm (10 mm to 30 mm)
Y direction length Y1 (= Y3 in this example): 12 mm (10 mm to 12 mm)
Z-direction length Z1: 1.1 mm (1 mm to 3 mm)
(2) Dimension X direction length X2 of the semiconductor laser module 2: 2 mm (1 mm to 5 mm)
Y direction length Y2 (= Y3 in this example): 10 mm (5 mm to 12 mm)
Z-direction length Z2: 450 μm (300 μm to 600 μm)
Submount 2a thickness Z3a: 150 μm (100 μm to 300 μm)
X-direction length of submount 2a = X2
Y-direction length of the submount 2a = Y2 (= Y3)
Submount 2c thickness Z3c: 150 μm (100 μm to 300 μm)
X-direction length of submount 2c = X2
Y-direction length of the submount 2c = Y2 (= Y3)
Thickness Z3c of semiconductor laser bar 2b: 140 μm (100 μm to 150 μm)
X-direction length X2b of the semiconductor laser bar 2b: 2 mm (1 mm to 5 mm)

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)
In this example, X2b <X2. This is to secure an area for attaching the power supply line to the submount.
Y-direction length Y2b = Y2 (= Y3) of the semiconductor laser bar 2b
(3) Size X direction length X3 of the reinforcing body 3: 2 mm (1 mm to 5 mm)
Y direction length Y3: 10 mm (5 mm to 12 mm)
Z direction length Z3: 150 μm (100 μm to 500 μm)

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。   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 μm, 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. The preferred range is 3-20 μm. The effect of the above numerical range will be described. When the numerical range is 3 to 20 μm, there is an effect that the solder does not protrude and can be uniformly bonded.

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。   Here, 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 substantially eliminated.

図7は、半導体レーザユニットの分解斜視図である。   FIG. 7 is an exploded perspective view of the semiconductor laser unit.

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。   The heat sink 1 has openings (through holes) 1 c 2 and 1 c 3 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. In the case of a semiconductor laser stack, 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.

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。   After 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. If necessary, 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. That is, when an adhesive layer is disposed between the elements 3, 1, 2a, 2b, 2c, and 4 and is fixed by applying heat at the same time, the overall rigidity is remarkably improved. Of course, it is possible to fix each unit 10 without using an adhesive simply by performing bonding, interposing the spacer 4 between the completed units 10 and applying pressure to them. When the curved unit 10 is stacked, a gap is created, and water leakage and poor conduction are likely to occur. However, with the unit 10 in which bending is suppressed, stacking is easy and the above-described defects are unlikely to occur. There is an advantage.

図8は、半導体レーザバーの斜視図である。   FIG. 8 is a perspective view of the semiconductor laser bar.

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。   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. In this example, it is assumed that the laser bar 2b contains GaAs as a main component, 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.

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。   Here, the high-performance liquid-cooled heat sink 1 will be described.

図9は、液体冷却式のヒートシンクの分解斜視図である。   FIG. 9 is an exploded perspective view of a liquid-cooled heat sink.

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。   The heat sink 1 is formed by laminating and fixing three metal (Cu in this example) plate-like members 1a1, 1b1, and 1c1.

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。   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.

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。   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.

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。   The upper plate-like member 1c1 has two openings (through holes) 1c2, 1c3 and a recess 1c4 that forms a fluid flow path 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.

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。   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. In addition, although a plate-shaped member consists of metals, such as Cu, the surface is coat | covered with the resin layer and corrosion is prevented.

図10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。   FIG. 10 is a front view of the semiconductor laser unit in which the dimension in the width direction of the heat sink is increased.

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。   In the above description, 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.

図11は、比較例となる半導体レーザユニットの正面図である。   FIG. 11 is a front view of a semiconductor laser unit as a comparative example.

比較例では、図6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6に示したものと同一である。   In the comparative example, in the semiconductor laser unit of the embodiment shown in FIG. 6, the reinforcing body 3 is attached 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.

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。   A liquid-cooled heat sink such as the above-described water-cooled heat sink has high performance, but when it is thin, it tends to bend due to a difference in linear expansion coefficient with the laser module 2.

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。   In the case of the comparative example, when the heat sink 1 is cooled, a force that reduces in the direction of the arrow F1 works. However, the semiconductor laser module 2 has a smaller coefficient of linear expansion than the heat sink 1, and this acts as a force that reduces in the direction of the arrow F2. . That is, there is a tendency to be convex upward due to the difference in linear expansion coefficient. Of course, since the reinforcing body 3Z is fixed, expansion and contraction of the heat sink 1 is slightly relaxed, but overall deformation cannot be suppressed.

一方、図6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。   On the other hand, as in the embodiment shown in FIG. 6, 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. Moreover, 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. Therefore, according to the semiconductor laser device in which the semiconductor laser units 10 of the embodiment are stacked, 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.

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。   Further, in the case of the above-described structure, since the deformation of the heat sink 1 is suppressed, water leakage from the heat sink 1 can be suppressed. Further, when a power supply line to the laser (power is supplied between the upper and lower submounts of the semiconductor laser bar during laser driving) is attached to the submount, it is possible to suppress the disconnection of the supply line. In addition, when the lens is arranged on the front surface of the semiconductor laser unit, the light emitting point position does not shift, so that a product with a high system can be manufactured.

10・・・半導体レーザユニット、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。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser unit, 1 ... Heat sink, 2 ... Semiconductor laser module, 3 ... Molybdenum reinforcement body.

Claims (1)

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。
In a semiconductor laser device formed by laminating a plurality of semiconductor laser units,
Individual semiconductor laser units
A plate-like liquid-cooled heat sink with a fluid passage formed therein;
A semiconductor laser module including a semiconductor laser bar and fixed to one side of the heat sink;
A molybdenum reinforcing body having a thickness of 0.1 to 0.5 mm, which is fixed at a position facing the semiconductor laser module on the other surface side of the heat sink, and has a smaller linear expansion coefficient than the heat sink;
With
One surface of the molybdenum reinforcing body in one semiconductor laser unit is fixed to the heat sink of its own semiconductor laser unit, and the other surface is fixed to the semiconductor laser module of another semiconductor laser unit. A semiconductor laser device.
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