CN101640372A - 一种新型低成本单巴条液体制冷激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型低成本单巴条液体制冷激光器及其制备方法，这种激光器包括上液体制冷块、连接片、绝缘片、正极连接片、连接片固定片和下液体制冷块，还包括有微正极块，所述下液体制冷块、微正极块、绝缘片、负极连接片和上液体制冷块依次自下而上层叠连接在一起，下液体制冷块、微正极块、绝缘片和负极连接片上分别对应设有入液通孔和出液通孔，上液体制冷块设有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通过连接孔连通，入液通孔依次层叠后组成入液通道，出液通孔依次层叠后组成出液通道。本发明不但制造简单，生产成本低，而且冷却介质流阻小、压降低，容易密封、散热能力强、寿命长、可靠性高，完全可满足激光的大功率输出散热要求。

Description

一种新型低成本单巴条液体制冷激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种新型低成本单巴条液体制冷激光器及其制备方法。

背景技术

随着大功率半导体激光器的进一步发展，所面临的主要问题仍然是转换效率低、可靠性、性能稳定性差以及成本较高等问题，这些不足严重制约了它的应用空间。激光器的性能除了与芯片有关外，还跟激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和性能稳定性，降低生产成本，设计高可靠性封装结构和高效散热结构的半导体激光器是必须的。

目前，大功率单阵列半导体激光器有热传导冷却型(Michael Leers，Konstantin Boucke，Manfred Gotz，et al.，Thermal resistance in dependenceof diode laser packages，In：Mark S.Zediker eds.Proceedings of 56 SPIE，2008.6876(687609))和微通道液体制冷型(Rushikesh M.Patel，David K.Wagner，Allen D.Danner，Kam Fallahpour，Richard S.Stinnett，“Use ofmicro-channel cooling for high-power two-dimensional laser diode arrays”，SPIE，vol.634：466-474(1992))两种封装形式。

对于热传导冷却型，在连续波模式下工作的大块热沉而言，由于采用被动散热方式，容易产生激光器温度上升，这将导致激光器的波长漂移，寿命和可靠性下降，因此，其输出功率一般只有几十瓦，由于是被动散热方式，因此使得半导体激光器的功率从数十瓦扩展到上百瓦就十分困难。

微通道液体制冷型现在已经商业化生产，虽然其采用主动散热，散热能力增强，使激光器的功率得到很大的提高，但还是存在以下缺点：

1.使用和维护成本高。微通道液体制冷器需要使用去离子水作为冷却液，以防止正负极导通。并且在使用时必须保持去离子水的低电导率，因此使用和维护成本很高。

2.加工难度大。微通道液体制冷器通常是由几层很薄的铜片层叠加工成型，内部的微通道大约为300微米，在制造过程中，需要对每一层铜片进行精确的加工，以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点。

3.制造成本高。由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，其制造成本也是非常高的。

4.使用寿命短。在激光器工作的过程中，若冷却介质(通常为去离子水)中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上。一方面，这些杂质颗粒可能会将微通道制冷器的液体通道堵塞，使其制冷效果降低，从而产生比较严重的热集中，导致激光器输出波长发生漂移、光谱展宽、性能可靠性和寿命缩短，严重时甚至会将激光器烧毁。另一方面，这些杂质颗粒会引起微通道管壁的电化学腐蚀，严重时可能将微通道制冷器的管壁蚀穿，对激光器的安全性造成极大地影响。这些都严重影响到激光器的使用寿命。

5.密封要求高。由于微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，因此容易产生多余的压力降，冷却介质流阻很大，密封困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型低成本单巴条液体制冷激光器及其制备方法，这种半导体激光器在满足使用功率要求的条件下，可降低成本，减小热阻，同时克服冷却介质压降过大的难点，在满足光束质量的前提下保证激光的高输出功率。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种新型低成本单巴条液体制冷激光器，包括上液体制冷块、负极连接片、绝缘片、正极连接片、连接片固定片、密封圈和下液体制冷块，还包括有微正极块；所述下液体制冷块、微正极块、绝缘片、负极连接片和上液体制冷块依次自下而上层叠连接在一起；所述下液体制冷块的上端面一侧设有台阶，台阶上设有正极连接片和连接片固定片；所述下液体制冷块、微正极块、绝缘片和负极连接片上分别对应设有垂直于平面的入液通孔和出液通孔，所述正极连接片和连接片固定片上分别对应设有垂直于平面的出液通孔，所述上液体制冷块的下端面上垂直设有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通过设置在上液体制冷块内的连接孔连通，所述下液体制冷块、微正极块、绝缘片和负极连接片上的各入液通孔和上液体制冷块的入液孔依次层叠后组成入液通道，所述下液体制冷块、正极连接片、连接片固定片、微正极块、绝缘片和负极连接片上的各出液通孔和上液体制冷块的出液孔依次层叠后组成出液通道；所述微正极块的一端设有芯片，所述芯片的正极面与微正极块贴合，芯片的负极面与负极连接片贴合。

上述微正极块为金属块，所述微正极块的入液通孔内设有散热翅片。

上述芯片与微正极块之间还设有热沉，热沉一面与微正极块贴合，另一面与芯片的正极面贴合。

上述下液体制冷块、微正极块、绝缘片和负极连接片的中部设有垂直于平面的固定通孔，所述上液体制冷块的下端面中部设有螺纹孔，所述下液体制冷块上设有螺栓，所述螺栓分别穿过下液体制冷块、微正极块、绝缘片和负极连接片上的固定通孔，旋于螺纹孔中。

一种上述激光器的制备方法，具体包括以下步骤：

1)在微正极块上制备入液通孔、出液通孔和固定孔，并在入液通孔上加工出散热翅片，将芯片焊接到微正极块的上表面；

2)将微正极块、芯片、绝缘片及负极连接片焊接起来；

3)以铜块加工上液体制冷块和下液体制冷块；

4)将密封圈分别放在下液体制冷块的入液孔和出液孔上端口外圈，微正极块上的入液孔和出液孔，上液体制冷块的入液半孔和出液半孔下端口外圈；

5)用连接螺钉依次穿过下液体制冷块、微正极块、绝缘片、连接片、上液体制冷块中部的固定通孔，螺钉最后旋在上液体制冷块上的螺纹孔内，将各部件紧密连接起来，制得所述激光器。

上述下液体制冷块的入液通孔上端设有密封圈。

本发明具有以下有益效果：

1)制造简单，生产成本低。本发明采用在冷却介质的流通路径上增加翅片的方式替代现有技术中的微通道，有效降低了加工难度，从而大大降低了制造成本。

2)可实现激光大功率输出。本发明的液体制冷能力完全满足低占空比准连续波的工作要求，能够实现大功率的激光输出。

3)冷却介质流阻小、压降低，容易密封。本发明用散热翅片取代了现有技术中的微通道，增大了冷却介质的流通空间，从而起到降低流阻，减小压降的作用。

4)冷却介质进出口位置可选。本发明制备的大功率半导体激光器的冷却介质的进出口可选，可在设计在同一端面，也可在正负极块两端。

5)散热能力强。本发明在冷却介质流通路径上设置的散热翅片能够大大增加散热面积，达到减小器件热阻，提高散热能力的目的。

6)寿命长、可靠性高。按照本发明所提供的大功率半导体激光器具有寿命长、可靠性高、稳定性高和体型小的特点。

附图说明

图1为本发明的结构拆解图；

图2为本发明的装配外形图；

图3为本发明的微正极块4的结构示意图；

图4为本发明的上液体制冷块1的剖面图；

图5为本发明的下液体制冷块7的剖面图；

图6为本发明的网格状翅片的微正极块4；

图7为本发明制备的808nm半导体激光器样品的P-I曲线图。

其中：1为上液体制冷块；2为负极连接片；3为绝缘片；4为微正极块；5为连接片固定片；6为正极连接片；7为下液体制冷块；8为堵头；9、26、17和18均为入液通孔；10、14、27和19为固定通孔；11、12、13、22、21和20均为出液通孔；15为散热翅片；16为芯片；23、24、25为正极连接片固定孔；28为密封圈；29为螺栓头沉孔；30为进液通道过渡段；31为台阶；32为连接孔；33为入液孔；34为螺纹孔；35为出液孔；36为负极接线孔；37为入液口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、图2、图4和图5，本发明的新型低成本单巴条液体制冷激光器，包括上液体制冷块1(负极块)、负极连接片2、绝缘片3、正极连接片6、连接片固定片5、微正极块4和下液体制冷块7。下液体制冷块7、微正极块4、绝缘片3、负极连接片2和上液体制冷块1依次自下而上层叠连接在一起。下液体制冷块7的上端面一侧设有台阶31，台阶31上设有正极连接片6和连接片固定片5；下液体制冷块7、微正极块4、绝缘片3和负极连接片2上分别对应设有垂直于平面的入液通孔9、26、17、18和出液通孔11、22、21、20。正极连接片6和正极固定片5上分别对应设有垂直于平面的出液通孔12、13；上液体制冷块1的下端面上垂直设有入液孔33和出液孔35，入液孔33和出液孔35通过设置在上液体制冷块1内的连接孔32连通，连接孔32的出口端设有堵头8。各部件上的入液通孔9、26、17、18以及入液孔33依次层叠后组成入液通道，各部件上的出液通孔11、12、13、22、21、20以及出液孔35依次层叠后组成出液通道。在下液体制冷块7的入液通孔9上开口处设有密封圈28，保证入液通道的密封良好。为了达到良好的密封效果，也可以分别在各入液通孔9、26、17、18和各出液通孔11、22、21、20之间设置橡密封28，达到整个入液通道和出液通道的良好密封效果。下液体制冷块7、微正极块4、绝缘片3和负极连接片2的中部设有垂直于平面的固定通孔10、14、27、19。上液体制冷块1的下端面中部设有螺纹孔34，所述下液体制冷块7上设有螺栓，所述螺栓分别穿过下液体制冷块7、微正极块4、绝缘片3和负极连接片2上的固定通孔10、14、27、19，旋于螺纹孔34中，这样各部件被连接成一体，如图2所示。

上述微正极块4的一端设有芯片16，芯片16的正极面与微正极块4贴合，芯片16的负极面与负极连接片2贴合。本发明的芯片16的正极面可以直接焊接在微正极块4的一端，也可以在微正极块4的上表面与芯片16的正极面之间加一热沉，热沉的上表面与芯片16的正极面贴合，芯片16的负极面与连接片贴合。热沉采用导热性能好的材料制作，这样虽然会增加芯片16的散热路径，但也很大程度上消除了在微正极块4上直接焊芯片16导致热膨胀系数不匹配引起的热应力集中现象。

微正极块4的材料可以使用金属(例如铜)或陶瓷(例如AlN)等散热效果好的材料。微正极块4的入液通孔26内设有散热翅片15(如图3)。图中的散热翅片15为金属片状，其平行设置于入液孔26内。本发明的散热翅片15除了采用图3中所示的形式外，还可以采用任何一种可以减小热阻，达到最大散热效果的形状结构，如采用圆柱形散热片、网状、星形发射状等散热结构。图6为采用网状散热翅片的微正极块。

正极连接片6由连接片固定片5通过设于下液体制冷块7侧面的正极连接片固定孔25、23、24和螺钉固定在下液体制冷块7上。上液体制冷块1的侧面设有负极接线孔36，负极接线孔36为螺纹孔，使用螺钉将负极引出。

本发明的新型低成本单巴条液体制冷激光器是这样制备的：

(1)如图3在微正极块4上制备出入液通孔26、出液通孔22和固定孔14，并在入液孔26上加工出散热翅片15，将芯片16焊接到微正极块4的上表面(如图1)；

(2)将微正极块4、芯片16、绝缘片3及负极连接片2焊接起来；

(3)如图4和图5，在铜块上钻孔作为上液体制冷块1和下液体制冷块7；

(4)将密封圈28分别放在下液体制冷块18的入液孔9和出液孔11上端口外圈，微正极块4上的入液孔26和出液孔22，上液体制冷块1的入液半孔33和出液半孔35下端口外圈；

(5)用连接螺钉依次穿过下液体制冷块7、微正极块4、绝缘片3、连接片2、上液体制冷块1中部的固定通孔，螺钉最后旋在上液体制冷块1上的螺纹孔34内，将各部件紧密连接起来，这样就组成了本发明的基于液体制冷的大功率半导体激光器。

本发明的工作原理如下：

工作时，在正极连接片6和负极接线孔36上加电压。激光器芯片16正常工作，工作时发出的热量利用冷却液的循环流动带走。冷却液由下液体制冷块7的入液口37进入，经过进液通道过渡段30到入液通孔9，再到微正极块4的入液通孔26中。冷却液在下液体制冷块7的入液通孔9内形成湍流。冷却液充满入液孔9，直接从与芯片16贴合的微正极块4下端，带走芯片16产生大部分的热量；芯片16产生的剩余热量会通过微正极块4，传导到散热翅片15上，冷却液冲到微正极块4散热翅片15，将散热翅片15上的热量带走，之后依次经过绝缘片3、连接片2到上液体制冷块1的入液孔33，由连接孔32进入出液孔35，再依次经过连接片3、绝缘片2和微正极块4的出液通孔20、21、22，最后经下液体制冷块7的出液通孔11排出，经冷水机将热量散去后又重新进入液口37，冷却液在入液通道和出液通道里完全密封，以防止因冷却剂泄露而对半导体激光器造成损坏。

本发明的冷却介质进出口位置除采用上述的结构外，也可以采用上液体制冷块入液和出液的方式。还可以将冷却介质进出口位置设计在上、下液体制冷块两端，这样冷却液在激光器内是单向流动的。具体冷却液的循环形式要根据激光器的安装方式以及外部配件的设置而灵活确定。本发明的上液体制冷块、负极块可以采用一体的结构，也可以采用独立的结构。

本发明的固定孔可以采用如图1所示结构，也可使用其他结构，只要保证组装后器件结构稳定即可。

根据本发明的激光器结构，制作出了808nm，250W单阵列液体制冷半导体激光器，其结构也如图2所示。以下给出这种808nm单阵列液体制冷半导体激光器的各项测试结果：

(1)如图7所示为808nm单阵列半导体激光器样品的L-I-V曲线，其最高输出光功率为289.45W。

(2)在脉冲(400Hz，200us)250A的工作条件下，808nm单阵列半导体激光器样品的测试结果如图7所示。此时，激光器的阈值电流为21.35A，斜坡效率为1.31W/A，典型的电光转换效率为59.07％。

(3)图7所示为，使用本发明专利制作的半导体激光器样品，波长808nm，功率250W的光谱测试结果，其峰值波长为808.53nm，中心波长为808.53nm，FWHM为2.73nm，FW90％E为3.85nm。

本发明在满足使用功率要求的条件下改变了传统半导体激光器采用的微通道液体制冷形式，有效避免了加工微通道结构带来的加工难度和成本高的缺点，本发明采用翅片的散热形式不但减小了冷却液的循环流阻避免了冷却液压降过大的缺点，而且由于翅片加工难度低，所以极大地降低了生产成本，并且这种翅片散热形式可以达到微通道结构散热的同等散热效果，配合本发明的上液体制冷块和下液体制冷块，本发明可以达到较好的散热效果。本发明主要应用于单阵列液体制冷半导体激光器。

Claims (6)

1.一种新型低成本单巴条液体制冷激光器，包括上液体制冷块(1)、负极连接片(2)、绝缘片(3)、正极连接片(6)、连接片固定片(5)和下液体制冷块(7)，其特征在于，还包括有微正极块(4)；所述下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)、负极连接片(2)和上液体制冷块(1)依次自下而上层叠连接在一起；所述下液体制冷块(7)的上端面一侧设有台阶(31)，台阶(31)上设有正极连接片(6)和连接片固定片(5)；所述下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)和负极连接片(2)上分别对应设有垂直于平面的入液通孔(9、26、17、18)和出液通孔(11、22、21、20)，所述正极连接片(6)和连接片固定片(5)上分别对应设有垂直于平面的出液通孔(12、13)，所述上液体制冷块(1)的下端面上垂直设有入液孔(33)和出液孔(35)，入液孔(33)和出液孔(35)通过设置在上液体制冷块(1)内的连接孔(32)连通，所述下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)和负极连接片(2)上的各入液通孔(9、26、17、18)和上液体制冷块(1)的入液孔(33)依次层叠后组成入液通道，所述下液体制冷块(7)、正极连接片(6)、连接片固定片(5)、微正极块(4)、绝缘片(3)和负极连接片(2)上的各出液通孔(11、12、13、22、21、20)和上液体制冷块(1)的出液孔(35)依次层叠后组成出液通道；所述微正极块(4)的一端设有芯片(16)，芯片(16)的正极面与微正极块(4)贴合，芯片(16)的负极面与负极连接片(2)贴合。

2.根据权利要求1所述的新型低成本单巴条液体制冷激光器，其特征在于：所述微正极块(4)为金属块，所述微正极块(4)的入液通孔(26)内设有散热翅片(15)。

3.根据权利要求1所述的新型低成本单巴条液体制冷激光器，其特征在于：所述芯片(16)与微正极块(4)之间还设有热沉，热沉一面与微正极块(4)贴合，另一面与芯片(16)的正极面贴合。

4.根据权利要求1所述的新型低成本单巴条液体制冷激光器，其特征在于：所述下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)和负极连接片(2)的中部设有垂直于平面的固定通孔(10、14、27、19)，所述上液体制冷块(1)的下端面中部设有螺纹孔(34)，所述下液体制冷块(7)上设有螺栓，所述螺栓分别穿过下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)和负极连接片(2)上的固定通孔(10、14、27、19)，旋于螺纹孔(34)中。

5.根据权利要求1所述的新型低成本单巴条液体制冷激光器，其特征在于：所述下液体制冷块(7)的入液通孔(9)上端设有密封圈(28)。

6.一种权利要求1所述激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在微正极块(4)上制备入液通孔(26)、出液通孔(22)和固定孔(14)，并在入液通孔(26)上加工出散热翅片(15)，将芯片(16)焊接到微正极块(4)的上表面；

2)将微正极块(4)、芯片(16)、绝缘片(3)及负极连接片(2)焊接起来；

3)以铜块加工上液体制冷块(1)和下液体制冷块(7)；

4)将密封圈(28)分别放在下液体制冷块(7)的入液孔(9)和出液孔(11)上端口外圈，微正极块(4)上的入液孔(26)和出液孔(22)，上液体制冷块(1)的入液半孔(33)和出液半孔(35)下端口外圈；

5)用连接螺钉依次穿过下液体制冷块(7)、微正极块(4)、绝缘片(3)、连接片(2)、上液体制冷块(1)中部的固定通孔，螺钉最后旋在上液体制冷块(1)上的螺纹孔(34)内，将各部件紧密连接起来，制得所述激光器。

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