CN101071936B - 使用了包含带翼安装块的激光二极管子组件的模块式组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非常通用的激光二极管组件，该组件包括安装在阶梯形冷却块(800)上的多个激光二极管子组件(200)。所述阶梯形冷却块使得可以制作密集而紧凑的组件，其中各个激光二极管子组件输出光束相互不干扰。

Description

使用了包含带翼安装块的激光二极管子组件的模块式组件
技术领域
本发明总体上涉及半导体激光器，更具体地说，涉及允许有效和高功效地组合多个激光二极管的输出的激光器组件。
背景技术
高功率激光二极管已经广泛应用于工业、制图、医疗和国防领域。然而，这种激光器的发散光束和相对较低的输出功率限制了它的使用。
激光二极管的输出光束不对称，这是因为光束在垂直于发射器的二极管连接的方向(也就是说，发射器的快轴)比在平行于二极管连接的方向(也就是说，发射器的慢轴)具有更大的角散度。由于光束发散的差异，激光二极管输出光束的横截面呈椭圆形，通常需要使用柱面透镜或者其它光学器件来改变发散特性和使输出光束符合预期的使用。虽然光学器件可以用于调整单个激光二极管的输出，但是在过去这种光学器件的使用使得很难将多个激光二极管光束组合成有足够输出功率的单个光束以满足多种应用。
美国专利No.4828357公开了一种对多个激光器的输出光束进行组合的方法。如其所示，为了形成一束平行光束或者使光束汇聚到相对窄的区域，使用多个镜子来引导每个激光器的输出。该专利公开了如果需要比单个光束所能产生的功率更高的功率，可以将多束平行光束进行组合，以形成甚至具有更高功率的单光束。该专利没有具体公开激光二极管的使用，也没有公开在将多光束引导为单光束之前改变单个激光光束的光束形状。
美国专利No.6075912公开了一种将多个激光器的输出光束组合为单光束的可选方法。在所公开的系统中，每个激光器的输出光束入射在多面光束偏转器的不连续面上。通过相对于光束偏转器的面正确定位每个激光器，将所有输出光束反射进入光纤。该专利公开了为了将输出光束正确地成像在偏转器面上，在每个激光源和相应的光束偏转器面之间插入光学系统。该专利也公开了在光束偏转器和光纤之间插入输出光学系统，所述输出光学系统使被反射的输出光束成像在光纤的输入面中心，成为一组聚焦光束图像。
美国专利No.4716568公开了激光阵列组件，它由多个线性激光二极管阵列子组件相互堆叠而形成，每个子组件与相邻子组件电连接。每个线性激光二极管阵列子组件由多个单独的激光发射器组成，所述激光发射器按照与传导盘热连通的方式安装。虽然该专利公开了堆叠子组件的几种方法以便于形成预期的二维激光器阵列，但是该专利没有公开用于将单个发射器和/或子组件的输出光束进行组合的任何光学系统。
美国专利No.5887096公开了一种光学系统，它用于指引直线激光二极管阵列的输出光束以便形成基本一致的辐射场或者图案。在一个公开的实施例中，该光学系统利用了多个反射器，其中每个反射器对应于单个激光二极管。在优选实施例中，单个反射器的受照射表面区域的中心位于一直线上，对于每个激光二极管/反射器对来说，反射器和相应的激光二极管出射面之间的距离是相同的。
美国专利No.6240116公开了设计用于实现高光束质量和高亮度的激光二极管阵列。在一个实施例中，所述阵列包括一对二极管阵列，其中两个阵列的发射表面沿一方向相互偏置，该方向与所述阵列形成的其中一根光学轴线平行。两个阵列的光学轴线沿垂直于其中一根光学轴线的方向相互偏移。透镜用来减小输出光束的发散度。在至少一个实施例中，反射器用来减少或者消除相邻准直光束之间的死区。
虽然已经设计出多种激光二极管阵列和光束组合系统，但是本领域需要的是可以容易地适应特定应用需要的通用化激光二极管组件。本发明提供了这种激光二极管组件。
发明内容
本发明提供了由多个激光二极管子组件组成的激光二极管组件，所述激光二极管子组件安装在阶梯形冷却块上。每个激光二极管组件的激光二极管子组件包括安装块，在激光二极管子组件安装时所述安装块被连接到相应的阶梯形冷却块的安装表面。虽然激光二极管子组件与冷却块连接，但是冷却液不流过子组件安装块，安装块仅仅与冷却块有热接触。
安装于每个子组件安装块表面的是激光二极管辅助安装架(submount)。激光二极管辅助安装架可以由电绝缘材料或者导电材料制作。安装于激光二极管辅助安装架表面的是激光二极管。激光二极管可以是单发射器型激光二极管或者多发射器型激光二极管。在至少一个实施例中，激光二极管辅助安装架包括一对与激光二极管进行电连接的接触垫，从而提供了将能量供给单个激光器的装置。
每个子组件安装块包括至少一个，优选的是两个延伸部分，也称为安装块翼部，所述延伸部分用于与夹持件组合以将安装块固定到冷却块上。优选的是，使每个安装块的底面成形，从而提供将安装块子组件定位在冷却块上的装置。优选的是，拉紧的电互联部用于接触位于激光二极管辅助安装架上的电接触垫，从而提供了接触激光二极管的装置，并且没有将过度压力施加于激光二极管辅助安装架上。在本发明的可选实施例中，至少一个螺纹装置(例如，螺栓、全螺纹和螺母组件，等)将每个激光二极管子组件连接到相应的冷却块安装表面。然而在本发明的另一个可选实施例中，焊剂或者其它的连接材料将每个激光二极管子组件与相应的冷却块安装表面连接。
在本发明的至少一个优选实施例中，光束调节透镜(conditioning lens)被连接，例如通过粘接，到每个激光二极管子组件安装块上，以至激光二极管的输出光束通过透镜。在一个实施例中，光束调节透镜是柱面透镜。优选的是，第二光束调节透镜也被连接，例如通过粘接，到每个激光二极管子组件安装块上，以至另一激光二极管子组件的激光二极管输出光束通过透镜。另一激光二极管子组件可以是相邻的子组件。作为选择，一个或者多个激光二极管子组件可以位于第二调节透镜和另一子组件之间，该子组件包含产生的输出光束通过所述第二调节透镜的激光二极管。
在本发明的至少一个实施例中，冷却源与冷却块连接。冷却源可以与冷却块连接或者集成在冷却块内，例如使用冷却液管。冷却块可以具有平的底面，从而在每个阶梯形冷却块的安装表面和冷却块底面之间产生不同的分隔距离。作为选择，冷却块可以具有倾斜的底面，从而使每个阶梯形冷却块的安装表面和冷却块底面之间的分隔距离相同。
参考说明书的其余部分和附图可以进一步理解本发明的特性和优势。
附图说明
图1是根据本发明的激光二极管子组件的主要部件的透视图；
图2是完成装配的图1所示激光二极管子组件的透视图，其中除去了第二调节透镜；
图3是完成装配的图1所示激光二极管子组件的透视图，其中包括与另一个(未示出)激光二极管子组件关联的第二调节透镜；
图4显示第二调节透镜与特定的激光二极管子组件之间的关系；
图5显示第二调节透镜与特定的激光二极管子组件之间的关系，该关系不同于图4所示的关系；
图6是图1所示子组件安装块的底面的透视图；
图7是可选底面外形的透视图；
图8显示用于图1至图3和图6所示激光二极管子组件的冷却块；
图9显示组装有两排激光二极管子组件的图8所示冷却块；
图10显示带有夹持件的图9所示组件，该夹持件使激光二极管子组件保持在适当位置；
图11显示图10所示的组件，其具有在适当位置的互联部；
图12是未压缩的互联部的剖视图；
图13是与激光二极管接触垫接触的图12所示互联组件的剖视图；
图14显示将子组件安装到冷却块上的可选装置；
图15显示与图8所示冷却块类似的冷却块，不同之处在于使用了倾斜的冷却平面；和
图16显示与图11所示组件类似的组件，不同之处在于该组件只包括单排激光二极管子组件。
具体实施方式
本发明为系统设计者提供了使激光二极管组件适应某些应用场合的特定需要的装置。为了提供这种通用性，系统利用了可以以各种构造安装的激光二极管子组件。
图1至图3显示利用单发射器型激光二极管101的激光二极管子组件。除了激光二极管101外，与激光二极管子组件关联的主要部件还包括子组件安装块103、辅助安装架105、第一调节透镜107和第二调节透镜109。见下面的详细描述，虽然第二调节透镜109安装在子组件安装块103上，但它是被用于安装在另一激光二极管子组件(在图1至图3中未示出)上的激光二极管的输出光束。
子组件安装块103提供了用于定位激光二极管子组件的各种部件的便利装置，以及将单个激光二极管子组件定位在冷却块内的装置，这在下面将进一步说明。另外，安装块103提供了充足的散热能力，以便允许在将各子组件安装在冷却块内之前以脉冲或者CW模式测试单个激光二极管子组件。关于激光二极管子组件，在优选实施例中，激光二极管101不是直接安装在子组件安装块103上，而是安装在辅助安装架105上，该辅助安装架转而安装在安装块103的表面111上。优选的是，辅助安装架105和用于将辅助安装架105安装在安装块103上的装置都是具有高导热系数的材料，从而确保激光二极管101产生的热量被有效耦合到安装块103上。另外，为了避免脱离或者在操作中损坏激光二极管，为辅助安装架105选择的材料的热膨胀系数尽可能与激光二极管101相匹配。在本发明的至少一个实施例中，利用铟焊料将辅助安装架105焊接到安装块103上。
辅助安装架105可以由导电材料(例如铜、铜钨等)或者电绝缘材料(例如氮化铝、氧化铍、CVD金刚石、碳化硅等)制作。在图1和图2所示的实施例中，辅助安装架105由电绝缘陶瓷制作。至少部分根据辅助安装架105的成分和/或插在辅助安装架105与激光二极管101之间的任何层(例如接触垫)的成分选择用于将激光二极管101与辅助安装架105粘接的材料。在所示实施例中，导电接触垫113/115沉积或者以其它方式形成于辅助安装架105的顶面。例如，接触垫113/115可以由金覆在镀镍层上形成，同时可以用金-锡连接材料将激光二极管101与接触垫113粘接。可以认识到，在工业上有多种公知的材料适合用作接触垫和激光二极管连接材料。
在本发明的优选实施例中，激光二极管101的一个触头(例如，阳极)在其底面，从而允许通过利用导电材料将激光二极管与其中一个接触垫(例如，垫113)粘接来形成一个二极管触头。然后，引线或者带连接117，或者选用另一类型的接触构件(未示出)，用于将每个激光二极管的第二触头(例如，阴极)与第二接触垫115电连接。可以认识到，本发明不限于这种触头布置。例如，可以使用多个引线/带连接将阳极和阴极与一对接触垫连接。
至少在一个实施例中第一调节透镜107是柱面透镜，其优选地位于安装块103的各个延伸臂部119/120之间。通常情况下，透镜107与激光二极管101的出射面直接相邻。一旦透镜107正确定位，则被粘接在适当位置。调节透镜107的目的是减小激光二极管101沿快轴的发散度，优选的是，将激光二极管101沿快轴的发散度减少到等于或者小于沿慢轴的发散度。
为了正确调节激光二极管101的输出光束，优选的是使用第二调节透镜109。应该可以理解，虽然图1至图3所示特定的第二调节透镜109安装在各个臂部119和120的顶面121和122上，但是所述第二调节透镜并不用于调节所示激光二极管101的光束。所示调节透镜109是用于调节相邻激光二极管子组件的输出光束(例如，图4中的光束401)，或者调节另一激光二极管子组件的输出光束，该另一子组件从该子组件移动一个以上子组件的距离(例如，图5中的光束501)。可以认识到，第二调节透镜109的焦距以及臂部119和120的高度取决于期望哪一个激光二极管的输出光束通过哪一个第二调节透镜(也就是说，将第二调节透镜与激光二极管光源隔开的激光二极管子组件的数目)。
在本发明的优选实施例中，安放区123和124通过机械加工或者以其它方式分别形成于延伸臂部119和120内。第三透镜，例如体积布拉格光栅，可以安装在安放区123和124内。
如前所述，安装块103除了提供定位单个子组件部件的装置外，优选的是还用于将单个子组件定位在冷却块内。为了更好地实现这一功能，在本发明的至少一个实施例中，使安装块103的底面成形。图6显示优选的成形底面601。可以认识到，本发明不限于这种特定的形状。例如，图7显示可选安装块700的底面701。在该实施例中，安装块的底面保持与顶面相同的外围形状(如图1所示)。
图8是用于图1至图3和图6所示激光二极管子组件的优选冷却块800的透视图。如图所示，冷却块800包括具有阶梯形安装表面803的两个排801。通过使安装表面成阶梯形，允许来自所安装的激光二极管子组件(在本图中未示出)的输出光束不受阻碍地射出组件。每个安装表面803构造为容纳激光二极管组件。更具体地说，每个安装表面803的形状对应于安装块103的底面601的形状，从而提供了将子组件定位在冷却块内的简单方式。可以认识到，如果安装块的底面具有不同的形状，例如图7所示的形状，则阶梯形安装表面具有相应的形状。优选的是，上面已经详细描述，安装块由具有高导热系数的材料(例如，铜)制作，因此在激光二极管101和冷却块之间提供了高效的热通路。使用时，优选的是，或者冷却块与冷却源(例如，热电冷却器、多通道冷却块)热耦合，或者冷却源集成在冷却块内(例如，冷却块内与合适的冷却液泵连接的整体冷却液管)。
图8所示的冷却块构造为容纳两排激光二极管子组件，每排包括五个子组件。使用已知的光学技术可以将来自两排子组件的输出光束组合成单一光束，或者该组件可以用于产生两束单独的输出光束。可以认识到，本发明不限于这种特定的构造。例如，根据本发明的装置可以包括更多或者更少的子组件排。与此类似，每排可以构造为包括多于五个或者少于五个子组件，冷却块800每排构造为容纳这些子组件。
可以认识到，有许多方法可以用于将激光二极管子组件安装到冷却块上，这些方法使用夹持件、螺栓和/或连接材料(例如焊剂、粘接剂)的各种配置。图9和图10显示优选的安装方法，其中安装块翼部125/126延伸超出每个安装块103的辅助安装架安装面111，这些安装块翼部用于将安装块保持在冷却块内的适当位置。采用翼部125/126将每个子组件夹持在冷却块内具有几个优点。第一，翼部125/126提供了确保子组件将牢固地保持在适当位置的装置，从而改进了热量从激光二极管通过安装块进入冷却块的热传递性能。第二，通过夹持与表面111分离的安装块表面，明显降低了在装配时损坏辅助安装架105的风险。
图9显示位于安装块800内的十个激光二极管子组件200。注意到，为了清晰起见，在图9至图11中没有显示第二调节透镜109。然而，可以理解，在正常使用时存在与各个激光二极管子组件关联的第二调节透镜，例如透镜109。用于最低的一个或多个激光二极管子组件的第二调节透镜安装在独立的透镜托架上，该透镜托架或者与冷却块为一体或者独立于冷却块。
在优选实施例中，如图10所示，用一对夹持件(例如，构件1001、1002、1003)使每个激光二极管子组件200保持在适当位置。在图示实施例中，因为使用多排激光二极管子组件，优选的是，在各排之间使用单个夹持件1002来夹持两个不同的子组件。然而，可以理解，即使采用多排子组件，每个子组件也可以利用两个单独的夹持件，也就是说，一个翼部上有一个夹持件。发明人可以设想到其它的夹持变化形式，例如采用可以将一个以上子组件保持在适当位置的阶梯形夹持件(例如，将几个构件1003组合为单个构件)。也可以认识到，取决于翼部相对于冷却块的高度，也可以采用其它的变化形式。在优选实施例中，螺栓1005将每个夹持件紧固到冷却块上。作为选择，可以使用全螺纹/螺母组件或者其它螺纹装置将夹持件紧固到适当位置，并因此将子组件紧固到适当位置。
可以认识到，存在无数接触单个激光二极管101的方法，通常采用接触垫，例如关于前面附图所述的垫113/115。通常，用于接触单个激光二极管的装置取决于其目的是将激光二极管串联，或者并联，或者成组连接(例如，使特定波长的激光二极管成组)，或者分别连接(由此为各个激光二极管提供可编址能力)。图11显示将激光二极管串联在一起的优选互联构造。在图示构造中，互联部1101与激光二极管1105的阳极接触垫1103电连接，同时互联部1107与激光二极管1111的阴极接触垫1109电连接。其它互联部(例如互联部1113)用于将叠置的其它激光二极管串联在一起。注意到，在图示构造中，第二排和第四排激光二极管的极性与第一排、第三排和第五排激光二极管的极性相反。可以认识到，在图示实施例中，如果冷却块有导电性，电互联部必须与冷却块电绝缘(例如，利用电绝缘衬套/垫圈)。
尽管可以认识到存在许多与激光二极管电连接的方法，但是在图12和图13所示的优选实施例中，互联部由相对薄的导电材料制作，或者由具有足够弹性的材料制作以提供与接触垫进行接触的简单装置。图12是示例性的互联部，例如互联部1107的剖视图。在图示实施例中，采用电绝缘衬套构件1201和电绝缘垫圈1203经由螺栓1005来避免互联部1107短路。如图13所示，当螺栓1005使互联部紧靠夹持件1001保持在适当位置时，互联部1107的端部1205紧靠接触垫115保持拉紧。
如前所述，利用发明人设想到的不同电互联部、夹持组件和冷却块可以对本发明进行无数的微小变化。例如，图14显示类似于图9所示的实施例，不同之处在于用螺栓1403直接将每个安装块翼部125和126固定到冷却块1401上。与图9一样，为了显示清晰，没有示出各个子组件的第二调节透镜和电互联部。
因为冷却块(例如冷却块800和1401)由一连串阶梯组成，激光二极管子组件安装在所述阶梯上，所以取决于与冷却块相连接的冷却源与各个子组件之间的距离，冷却率会变化，因此各个激光二极管子组件的工作温度会变化。因为激光二极管的工作波长随温度而定，发明人发现由于阶梯形冷却块而出现的子组件之间工作温度的变化可以用于与激光二极管子组件的波长进行匹配。因此，在本发明的至少一个实施例中，基于子组件在冷却块内的位置而确定每个子组件的输出波长。然后使每个子组件在冷却块内定位，以便提供与整个组件的期望输出波长尽可能最接近的匹配。在图15所示的冷却块可选实施例中，冷却块的底面1501是倾斜的。由于采用这种构造，每个安装表面1503与底面1501的距离一样，从而即使当冷却源与冷却块的底面(也就是说，表面1501)采用热连接，也能使每个安装的激光二极管子组件(未示出)保持同样的冷却率。
在上述图中，图示示例性构造包括两排子组件。然而，如前所述，本发明不限于两排也不限于每排具有特定数目的子组件。例如，图16显示利用单排激光二极管子组件的激光二极管组件。
本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明的精髓和本质特征的情况下，可以采用其它特定的形式体现本发明。因此，这里的公开内容和描述是举例说明而非限制附属权利要求中提出的本发明范围。

Claims (17)

1.一种激光二极管组件，包括：
冷却块，其包括多个阶梯形安装表面；
多个激光二极管子组件，其中每个所述激光二极管子组件包括：
安装块，其中所述安装块不包括整体冷却通道，并且所述安装块还包括至少一个翼部；
激光二极管辅助安装架，其安装在所述安装块上；
激光二极管，其安装在所述激光二极管辅助安装架上；
安装在所述安装块上的第一光束调节透镜，其中所述激光二极管的输出光束通过所述第一光束调节透镜；和
安装在所述安装块上的第二光束调节透镜，其中来自所述多个激光二极管子组件的另一激光二极管子组件的第二输出光束通过所述第二调节透镜；以及
夹持装置，其用于将每个所述安装块的所述至少一个翼部中的至少一个夹持到所述冷却块上，其中所述多个激光二极管子组件的每个输出光束相对于相邻激光二极管子组件的相邻输出光束偏置。
2.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个激光二极管子组件的每个安装块包括一对所述翼部。
3.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述夹持装置还包括多个夹持件。
4.根据权利要求3所述的激光二极管组件，其特征在于，所述夹持装置还包括多个可螺纹连接于所述冷却块的螺纹装置。
5.根据权利要求4所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个夹持件中的至少一个和所述多个螺纹装置中的至少一个将每个所述安装块的所述翼部中的至少一个紧固在所述冷却块上。
6.根据权利要求4所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个夹持件中的至少一个和所述多个螺纹装置中的至少一个将每个所述安装块的每个所述翼部紧固在所述冷却块上。
7.根据权利要求4所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个螺纹装置包括多个螺栓。
8.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个激光二极管子组件的每个安装块包括一对所述翼部，所述夹持装置还包括多个夹持件，所述夹持件装置还包括多个可螺纹连接于所述冷却块中的螺纹装置，所述多个夹持件中的至少一个和所述多个螺纹装置中的至少一个将每个所述安装块的所述一对翼部的每个所述翼部紧固在所述冷却块上。
9.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述夹持件装置包括多个可螺纹连接于所述冷却块中的螺纹装置，所述多个螺纹装置中的至少一个将每个所述安装块的所述翼部中的至少一个紧固在所述冷却块上。
10.根据权利要求9所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个螺纹装置包括多个螺栓。
11.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个激光二极管子组件的每个安装块还包括成形底面，并且所述冷却块的每个阶梯形安装表面具有相应的形状，以至每个安装块定位在相应的一个阶梯形安装表面上。
12.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述多个阶梯形安装表面相对于与冷却块底面的最低部分相对应的平面具有渐增的高度。
13.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述冷却块的底面是倾斜的。
14.根据权利要求13所述的激光二极管组件，其特征在于，对应于所述安装块的每个所述多个阶梯形安装表面与所述倾斜的冷却块底面之间距离的分隔距离对于每个所述多个阶梯形安装表面来说是相同的。
15.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，还包括多个电互联部，其中所述夹持装置维持每个所述多个电互联部与相应的多个电接触垫电接触，其中所述多个电接触垫位于所述激光二极管子组件的所述激光二极管辅助安装架上。
16.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述激光二极管是单发射器型激光二极管。
17.根据权利要求1所述的激光二极管组件，其特征在于，所述激光二极管是多发射器型激光二极管。
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