多波长激光光源模块、带合波器的多波长激光光源模块、及半导体激光光源单元的冷却方法与流程

本发明涉及一种安装有出射多个波长的激光的半导体激光光源单元的多波长激光光源模块、带合波器的多波长激光光源模块、以及多波长激光光源模块上所安装的出射多个波长的激光的半导体激光光源单元的冷却方法。

背景技术：

以往的光通信领域中，阵列波导光栅(awg：arraywave-guidegrating)多被用于多个波长的光的合波。另一方面，投射型小型激光显示器中，为了在便携式终端和车辆上使用，优选为使用进行了小型化的光源模块。光源模块中使用半导体激光元件。

使用这种半导体激光元件的激光光源模块由于进行了小型化，因此散热不充分，光源模块难以被冷却。

此外，激光光源模块中，为了将波长不同的多个激光作为一个点光源，从而使激光发光点彼此间相互靠近。为此，多个半导体激光元件也必须相互靠近，高密度地安装，激光光源模块中，形成半导体激光元件产生的热量易集中到局部而难以散热的结构。

作为激光光源模块的一例，已知一种各半导体激光元件的发光点间的距离短、光学设计容易、散热特性优秀、且制造容易的多波长半导体激光装置(专利文献1)。

该多波长半导体激光装置中，具有块状物、以及振荡波长不同的多个半导体激光元件，在上述块状物中沿规定方向形成有具有底面及两个侧面的剖面呈u字型的沟槽，半导体激光元件被配置在沟槽的底面上及侧面上，使激光出射方向沿规定方向。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2010-287613号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

上述结构中，能够将半导体激光元件产生的热量经由柱状的块状物向外部散热，因此激光光源模块具备优秀的散热特性。但是，在对激光光源模块进行小型化，以高密度安装半导体激光元件时，优选为使散热效率变得更高。

因此，本发明的目的在于，利用与上述结构不同的新结构，提供一种具有即便使激光光源模块小型化，散热效率仍较高的结构的多波长激光光源模块、以及带合波器的多波长激光光源模块，并提供一种散热效率较高的半导体激光光源单元的冷却方法。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的一个方式是安装有出射多个波长的激光的半导体激光光源单元的多波长激光光源模块。该多波长激光光源模块具备：

支架，该支架由热传导材料构成，呈柱状，并设有从所述柱状的一端的壁面沿所述柱状的延伸方向延伸的孔；

至少1个以上的热传导块，该至少1个以上的热传导块由热传导材料构成，被配置在所述孔中，具备与所述孔的壁面相对，并将热量传递到所述壁面的热传递面；以及

多个半导体激光光源单元，该多个半导体激光光源单元与所述热传导块接合，使激光沿所述支架的所述柱状的延伸方向出射。

所述半导体激光光源单元被配置在沿所述柱状的延伸方向延伸的中心轴的周围，

利用所述半导体激光光源单元发出激光时，所述热传导块中设有从所述热传导块的与所述半导体激光光源单元接触的接合面向所述热传递面温度变低的温度梯度。

所述半导体激光光源单元优选为通过例如芯片焊接接合到所述热传导块上。此外，所述热传递面也优选为例如通过芯片焊接与所述支架接合。

作为所述多波长激光光源模块的一种方式，

所述多波长激光光源模块具备多个所述热传导块，

所述多个热传导块分别与1个出射波长互不相同的激光的半导体激光光源单元相接合，使激光沿所述支架的所述柱状的延伸方向出射，

所述半导体激光光源单元各自的发光点的位置优选为相较于所述热传导块与所述半导体激光光源单元接合的接合面的位置靠近所述柱状的所述中心轴，所述接合面的位置优选为相较于所述热传递面的至少一部分面的位置靠近所述中心轴。

各所述热传导块分别例如芯片焊接有1个所述半导体激光光源单元。

此时，从所述柱状的延伸方向观察时，所述热传导块各自的所述热传递面在所述柱状的周向上的位置优选为位于分别设置在所述热传导块上的所述半导体激光光源单元的发光点的所述周向的两侧部位。

所述热传导块的从所述延伸方向观察到的剖面形状优选为所述热传导块的宽度随着远离所述中心轴而变大的形状，所述孔的从所述延伸方向观察到的形状优选为与所述热传导块的所述剖面形状对应的形状。

此外，优选为使所述半导体激光光源单元各自的发光点的位置靠近，以使其作为一个点光源出射激光。

此外，作为所述多波长激光光源模块的另一种方式，

所述多波长激光光源模块具备1个所述热传导块，

所述热传导块与出射波长互不相同的激光的多个半导体激光光源单元相接合，使激光沿所述支架的所述柱状的延伸方向出射，

所述半导体激光光源单元设置在所述热传导块的所述柱状的侧面的外周上，所述热传递面在沿所述孔的内周的周向上的位置优选为位于相邻的半导体激光光源单元之间。

所述热传导块例如通过芯片焊接与各个所述半导体激光光源单元相接合。

所述热传导块的与所述半导体激光光源单元接合的接合面的位置优选为相较于所述热传递面的位置靠近所述中心轴。

所述接合面优选为位于沿所述热传导块的所述柱状的延伸方向延伸的沟槽的底面。

此外，所述多波长激光光源模块是由壳体覆盖的封装，

所述支架优选为所述壳体。

本发明的又一方式是带合波器的多波长激光光源模块。该带合波器的多波长激光光源模块具有：

所述多波长激光光源模块；

合波器，该合波器对分别从所述半导体激光光源单元出射的激光进行合波，并作为点光源出射；以及

双合透镜，该双合透镜设置在所述半导体激光光源单元与所述合波器之间，使所述激光入射到所述合波器。

所述合波器具备：所述激光的入射口；多个光波导构件，该多个光波导构件对入射到所述激光的入射口的所述激光进行引导，且由壁面设置有反射膜以利用所述壁面对所述激光进行全反射的连续孔构成；结合部，该结合部通过将所述光波导构件结合成1个，从而对所述激光进行合波；以及出射口，该出射口出射合波后的激光。

本发明的又一方式也是带合波器的多波长激光光源模块。该带合波器的多波长激光光源模块具有：

所述多波长激光光源模块；

合波器，该合波器对分别从所述半导体激光光源单元出射的激光进行合波，并作为点光源出射；以及

双合透镜，该双合透镜设置在所述半导体激光光源单元与所述合波器之间，使所述激光入射到所述合波器。

所述合波器具有：多根光纤线，该多根光纤线由芯线以及外皮构成，对入射的各个所述激光进行传输；以及出射端部，该出射端部将各个所述光纤线集中，以使所述芯线彼此相抵接的方式使激光靠近并出射。

本发明的另一个其他方式是多波长激光光源模块所安装的出射多个波长的激光的半导体激光光源单元的冷却方法。该冷却方法中使用的所述多波长激光光源模块具备：

支架，该支架由热传导材料构成，呈柱状，并设有从所述柱状的一端的壁面沿所述柱状的延伸方向延伸的孔；

至少1个以上的热传导块，该至少1个以上的热传导块由热传导材料构成，被配置在所述孔中，具备与所述孔的壁面相对，并将热量传递到所述壁面的热传递面；以及

多个半导体激光光源单元，该多个半导体激光光源单元与所述热传导块接合，使激光沿所述支架的所述柱状的延伸方向出射。

所述半导体激光光源单元被配置在沿所述柱状的延伸方向延伸的中心轴的周围，

利用所述半导体激光光源单元发出激光时，通过使所述半导体激光光源单元的热量从所述热传导块的与所述半导体激光光源单元接触的接合面向所述热传递面传递，并从所述支架的外周进行辐射，从而对所述半导体激光光源单元进行冷却。

所述半导体激光光源单元优选为例如通过芯片焊接接合到所述热传导块上。此外，所述热传递面也优选为例如通过芯片焊接与所述支架接合。

发明效果

根据上述的多波长激光光源模块、带合波器的多波长激光光源模块、以及半导体激光光源单元的冷却方法，即便使激光光源模块小型化，散热效率仍能够较高。

附图说明

图1是第一实施方式的带合波器的多波长激光光源模块的外观立体图。

图2是图1所示的多波长激光光源模块的一部分的分解立体图。

图3(a)是接合有第一实施方式中使用的半导体激光光源单元的热传导块的外观立体图，图3(b)是第一实施方式的半导体激光光源单元的分解立体图。

图4是表示第一实施方式中使用的合波器的一例的结构的图。

图5是第二实施方式的带合波器的多波长激光光源模块的一部分的分解立体图。

图6是从图5所示的带合波器的多波长激光光源模块的热传导块中分离出半导体激光光源单元的立体图。

具体实施方式

以下，参考附图详细说明本发明的多波长激光光源模块、带合波器的多波长激光光源模块、以及半导体激光光源单元的冷却方法。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式的带合波器的多波长激光光源模块的外观立体图，图2是图1所示的带合波器的多波长激光光源模块的一部分的分解立体图，图3(a)是接合有第一实施方式中使用的半导体激光光源单元的热传导块的外观立体图，图3(b)是第一实施方式的半导体激光光源单元的分解立体图。

图1所示的带合波器的多波长激光光源模块10具备多波长激光光源模块12、以及合波器14。

多波长激光光源模块12以如下方式构成，即具有3组将1个半导体激光光源单元16接合到1个热传导块18上的组装体20，该3组组装体20被固定到支架22上。

支架22是固定包括半导体激光光源单元16在内的组装体20的构件，是固定半导体激光光源单元16的构件。支架22例如由铜、铝或铜钨合金等热传导材料构成，呈柱状。本实施方式中使用的支架22的热传导材料优选为热传导率在170～230(w/m/k)或者200(w/m/k)以上，更优选为例如200～400(w/m/k)。支架22设有从柱状的一端的壁面沿柱状的延伸方向即图2中的x方向延伸的孔22a。通过将包括半导体激光光源单元16在内的组装体20插入该孔22a，从而将组装体20固定到孔22a的壁面(包围孔22a的壁面)，由此能够将半导体激光光源单元16固定到支架22内。

热传导块18被配置为插入到设置于支架22的孔22a中。热传导块18具备热传递面18a、18b，所述热传递面18a、18b与孔22a的壁面(包围孔22a的壁面)相对，并将热量传递到壁面。可以是热传导块18的热传递面18a、18b与孔22a的壁面直接接触，热传递面18a、18b以外的部分与孔22a的壁面接合固定的结构，也可以是热传递面18a、18b经由由热传导性良好的焊料(粘合材料)组成的接合层以与孔22a的壁面相对的方式而被固定的结构。热传导块18由铜或铝或铜钨合金等热传导材料构成。热传导块18的热传导材料优选为热传导率在170～230(w/m/k)或者200(w/m/k)以上，优选为例如200～400(w/m/k)。

半导体激光光源单元16以使激光沿支架22的柱状的延伸方向出射的方式与热传导块18接合，并被配置在支架22内。半导体激光光源单元16由cos(chiponsubmount：芯片)型半导体激光元件构成。具体而言，半导体激光光源单元16包括半导体激光元件16a、次黏着基台(submount)16b、以及电极16c、16d，还包括双合透镜16e。半导体激光光源单元16优选为使用芯片焊接机(diebonder)通过芯片焊接(diebonding)来与热传导块18接合。以后，提到接合时，包括使用芯片焊接机通过芯片焊接来进行接合的情况。芯片焊接中，优选为使用热传导性良好的焊料(粘合材料)，例如ausn(金锡)合金、snagcu(锡银铜)合金的焊料(粘合材料)。

半导体激光元件16a是单横模型(singletransversemode)，发出例如100mw以上的高输出的激光。半导体激光元件16a虽然是单横模型，但并不限定于单横模型，也可以是多横模型(multi-ransversemode)。固定在支架22上的3个半导体激光元件16a发出波长互不相同的激光。激光例如是638nm、520nm、以及450nm等红、绿、以及蓝的三波长的光。采用单横模型的半导体激光元件16a时，例如沿全角发散角fahm＝(fullangleathalfmaximum：半极值全角度)25°的快轴fa(fastaxis)的发光点(发射极)宽度约为1.5μm以下，例如为1μm，沿fahm＝10°的慢轴sa(slowaxis)的发光点宽度约为5μm，光束质量因子m²大约为1.2。

次黏着基台16b是载置半导体激光元件16a的构件，优选为使用氮化铝作为材料。

电极16c、16d被载置到热传导块18上，与未图示的电源连接，向半导体激光元件16a供电。

双合透镜16e被设置在半导体激光元件16a与后述的合波器14之间，使发出的激光分别入射到后述的合波器14的入射口14a中。

第一实施方式的3个半导体激光光源单元16如图2所示，在沿柱状的延伸方向延伸的中心轴axis的周围隔开间隔配置，优选为在周向上以等间隔(120度间隔)配置。利用半导体激光光源单元16发出激光时，热传导块18设有从热传导块18的与半导体激光光源单元16接触的接合面18c起向热传递面18a、18b温度变低的温度梯度。从接合面18c向热传递面18a、18b传递的半导体激光元件16a产生的热量沿温度梯度传递，因此热量高效率地向支架22传递，并从支架22向外部散热。因此，即便使本实施方式的激光光源模块小型化，散热效率仍较高。

本实施方式中，如图1所示，合波器14被设置在3个双合透镜16e的激光的出射方向前方。图4是表示第一实施方式中使用的合波器14的一例的结构的图。合波器14具有：激光的入射口14a；3个光波导构件14b，该3个光波导构件14b分别对三道激光进行引导，且由在壁面设置有反射膜以使得壁面对激光进行全反射的连续孔构成；结合部14c，所述结合部14c通过使光波导构件14b结合成1个，从而对波长不同的激光进行合波；以及出射口14d，所述出射口14d出射进行合波后的激光。

另外，图1、2、4所示的合波器14的光波导构件的剖面尺寸被放大绘出，以便于理解。

由于激光是单横模型，因此合波器14的光波导构件14b的剖面形状并无特别限定，可以是圆形或矩形。实用化水平中，例如是具有数μm左右的边的矩形或数μm左右的直径的圆形。

另外，合波器14的光波导构件14b是由中空的连续孔构成的方式，但是也能够使用由芯线以及外皮构成、使激光分别入射并进行传输的多根光纤线，来代替由中空的连续孔构成的光波导构件14b。此时，优选为具有出射端部，所述出射端部将各个光纤线集中，以芯线彼此相抵接的方式使激光靠近并出射。

即，采用单横模型时，优选为光纤线的开口直径na为0.12～0.25，芯线直径为3～7μm。光纤线优选为使用将低熔点无机玻璃或树脂作为材质之物。3个发光点设置为位于正三角形顶点，为了使以该状态捆扎的3根光纤线的相邻芯线相互抵接，芯线间的距离优选为10μm以下，特别优选为7μm以下。

另外，多波长激光光源模块10如图2所示，在具备多个热传导块18时，多个热传导块18a分别接合有出射波长互不相同的激光的半导体激光光源单元16a，使激光沿支架22的柱状的延伸方向出射。此时，半导体激光元件16a各自的发光点16f的位置优选为相较于热传导块18与半导体激光光源单元16接合的接合面16a的位置靠近支架22的柱状的中心轴axis，接合面16a的位置优选为相较于热传递面18a、18b的至少一部分面的位置靠近中心轴axis。通过这种方式，能够使3个半导体激光元件16a的发光点16f的位置相互靠近，例如能够使3个发光点靠近到进入直径为100μm的1个圆内，即便不使用合波器14，也能够直接将3个发光点16f作为一个光源来出射激光。如此，即便半导体激光元件16a彼此靠近中心轴axis，半导体激光元件16a产生的热量集中于局部，也能够利用热传导块18a的功能提高半导体激光元件16a产生的热量的散热性。

此外，热传导块18各自的热传递面18a、18b在沿支架22的外周的周向即图2中的θ方向上的位置优选为从支架22的柱状的延伸方向观察时，位于分别设置在热传导块18上的半导体激光元件16a的发光点16f的周向的两侧部位。如此，能够使半导体激光元件16a产生的热量高效率地从周向的两侧的热传递面18a、18b向支架22移动。

热传导块18的从延伸方向观察到的剖面形状优选为热传导块18的宽度随着远离中心轴axis而变大的形状，设置在支架22上的孔22a的从延伸方向(x方向)观察到的剖面形状优选为与热传导块18的剖面形状对应的形状。因此，能够将热传导块18定位在孔22a的规定位置上而不发生位置偏离，因此能够正确定位3个半导体激光元件16a的发光点16f的位置。

(第二实施方式)

图5是第二实施方式的带合波器的多波长激光光源模块的一部分的分解立体图，图6是从图5所示带合波器的多波长激光光源模块的热传导块分离出半导体激光光源单元的立体图。

图5所示的带合波器的多波长激光光源模块110处于组装体120从支架122取出的状态。带合波器的多波长激光光源模块110具备多波长激光光源模块112、以及合波器114。多波长激光光源模块112以如下方式构成，即将4个半导体激光光源单元116与1个热传导块118相接合而得到的组装体120插入支架122的孔122a中并进行固定。

支架122除了孔122a的形状不同以外，具有与支架12相同的结构，因此省略孔122a以外的说明。支架122呈柱状。支架122设有从柱状的延伸方向(图5的x方向)的一端的壁面沿延伸方向延伸的孔122a。孔122a的与延伸方向正交的剖面形状为圆形。

热传导块118与第一实施方式的多个热传导块18不同，为1个。热传导块118被配置为插入到设置在支架122上的孔122a中。热传导块118具备热传递面118a，所述热传递面118a与孔122a的壁面(包围孔122a的壁面)相对，并将热量传递至壁面。可以是热传导块118的热传递面118a与孔122a的壁面直接接触，热传递面118a以外的部分与孔122a的壁面通过焊料来固定的结构，也可以是热传递面118a经由由焊料组成的接合层以与孔122a的壁面相对的方式被固定的结构。热传导块118由铜或铝或铜钨合金等热传导材料构成。热传导块118的热传导材料优选为热传导率在170～230(w/m/k)或者200(w/m/k)以上，例如优选为200～400(w/m/k)。

4个半导体激光光源单元116以使激光沿支架122的柱状的延伸方向出射的方式与热传导块118接合，并被配置在支架22内。4个半导体激光光源单元116由cos(chiponsubmount)型半导体激光元件构成，分别包括半导体激光元件116a、次黏着基台116b、以及电极116c、116d，还包括双合透镜116e。

4个半导体激光元件116a出射波长互不相同的激光。4道激光例如是638nm、520nm以及450nm等红、绿、蓝的三波长的光、以及具有超过700nm波长的红外光(包括近红外光、中红外光、远红外光)。4个半导体激光元件116a设置为与1个热传导块118接合。半导体激光元件116a在1个热传导块118的外周沿θ方向隔开间隔配置，优选为以等间隔配置。半导体激光元件116a是单横模型，发出100mw以上的高输出的激光。半导体激光元件116a虽然是单横模型，但并不限定于单横模型，也可以是多横模型。采用单横模型的半导体激光元件116a时，例如沿全角发散角fahm(fullangleathalfmaximum)＝25°的快轴fa(fastaxis)的发光点(发射极)宽度约为1.5μm以下，例如为1μm，沿fahm＝10°的慢轴sa(slowaxis)的发光点宽度约为5μm，光束质量因子m²大约为1.2。

次黏着基台116b、电极116c、116d、以及双合透镜116e具有与第一实施方式的次黏着基台16b、电极16c、16d、以及双合透镜16e相同的结构，因此省略这些说明。

第二实施方式的半导体激光光源单元116被设置在热传导块118的柱状的侧面的外周上，热传递面118a的沿孔122a的内周的周向即图5所示的θ方向的位置位于相邻半导体激光光源单元116、116之间。这种方式中，利用半导体激光元件116a发出激光时，热传导块118也设有从热传导块118的与半导体激光光源单元116接触的接合面起向热传递面118a温度变低的温度梯度。因此，半导体激光元件116a产生的热量从位于周向的两侧的热传递面118a高效率地向支架122传递。

如图5所示，第二实施方式的与半导体激光光源单元116接合的热传导块118的接合面的位置优选为相较于热传递面118a的位置靠近中心轴axis。

此外，与半导体激光光源单元116接合的热传导块118的接合面优选为位于沿热传导块118的柱状的延伸方向延伸的沟槽的底面。由于4个半导体激光光源单元116在热传导块118的沟槽的底面上接合，因此能够正确定位4个半导体激光元件116a的发光点116f的位置。

第一实施方式中，使用合波器14形成多个激光的点光源，但是有时也可以不使用合波器14。例如，图1中，在使3个半导体激光元件16a的发光点16f的相隔距离靠近到100μm以下时，能够使3个发光点16f实质上作为一个点光源发挥作用，因此无需使用合波器14。

如以上所示，第一实施方式、第二实施方式的半导体激光光源单元16、116在沿支架22、122的柱状的延伸方向延伸的中心轴axis的周围隔开间隔配置，利用半导体激光光源单元16、116发出激光时，通过使半导体激光光源单元16、116的热量从热传导块18、118的与半导体激光光源单元16、116接触的接合面向热传递面18a、18b传递，并从支架22、122的外周辐射，从而对半导体激光光源单元16、116进行冷却。因此，即便使激光光源模块10、110小型化，仍能够提高散热效率。

第一实施方式以及第二实施方式中所示的多波长激光光源模块能够采取用壳体覆盖的立体形状的封装，例如用圆柱状的金属罐覆盖周围的φ3mm、φ5.6mm、φ9mm等紧凑的立体形状的罐型封装。此时，支架22、122优选为封装的壳体。这种立体封装的热传导性良好，能够安装更多的高输出(大电流、高发热)的激光光源单元。特别是将第一实施方式以及第二实施方式中所示的多波长激光光源模块设为紧凑的立体罐型封装，并安装到手表型或眼镜型可穿戴终端、以及具备激光显示装置的玩具机器人等设备上时，该多波长激光光源模块在安装到设备上的安装便捷性、对散热进行设计的简易性、根据设备形态改变形状的简易性的方面出众。

以上详细说明了本发明的多波长激光光源模块、带合波器的多波长激光光源模块、以及半导体激光光源单元的冷却方法，但本发明并不限定于上述实施方式，当然可在不超出本发明主旨的范围内进行各种改良和变更。

标号说明

10、110带合波器的多波长激光光源模块

12、112多波长激光光源模块

14、114合波器

14a入射口

14b光波导构件

14c结合部

14d出射口

16、116半导体激光光源单元

16a、116a半导体激光元件

16b、116b次黏着基台

16c、16d、116c、116d电极

16e、116e双合透镜

16f、116f发光点

18、118热传导块

18a、18b、118a热传递面

18c接合面

20、120组装体

22、122支架

22a、122a孔