CN101673922A - 一种半导体激光器空间摆放阵列 - Google Patents

一种半导体激光器空间摆放阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种传导冷却高功率半导体激光器空间摆放阵列包括：多个半导体激光器bar条、安装该多个半导体激光器bar条的冷却座、固定该冷却座的支撑座，其中，半导体激光器bar条通过冷却座输入普通纯净水对其进行传导冷却，通过将多个半导体激光器bar条在冷却座上沿快轴方向排布，使排布后的快轴光束参数积不大于慢轴方向的光束参数积。本发明摒弃了传统的成本高昂的微通道去离子水冷却方式，使用普通纯净水即可对bar条进行传导冷却，通过对半导体激光器bar条以串联电路方式排布，达到了与微通道水冷半导体激光器垂直阵列相类似的使用效果，使用及维护成本大幅降低。

Description

一种半导体激光器空间摆放阵列
【技术领域】
本发明涉及一种半导体激光器空间摆放阵列，尤其涉及一种传导冷却高功率半导体激光器空间摆放阵列。
【技术背景】
在现有的高功率半导体激光器光源中，多使用微通道水冷半导体激光器一维或二维叠阵。但由于微通道水冷热沉结构对冷却系统的要求较高，一是必须使用去离子水，且对水质要求较高，水质不好或在使用过程中水质变差后将致使微通道堵塞进而造成半导体激光器损毁或功率降低，不仅会缩短半导体激光器的寿命也会影响其使用效果；二是水冷系统中与水接触的所有地方必须采用特殊非金属材料制造，这就导致了微通道水冷半导体激光器叠阵的使用和维护成本十分高昂，也极大地限制了它的推广使用。
【发明内容】
本发明所欲解决的问题就是提供一种高功率半导体激光器空间摆放阵列，通过对半导体激光器排列方式不同，且使用基本不受水质影响，且使用及维护成本大幅降低。
本发明所采用的技术方案是：一种半导体激光器空间摆放阵列，包括：多个半导体激光器bar条、安装该多个半导体激光器bar条的冷却座、固定该冷却座的支撑座，其中，半导体激光器bar条通过冷却座输入普通纯净水对其进行传导冷却，通过将多个半导体激光器bar条在冷却座上沿快轴方向排布，使排布后的快轴光束参数积不大于慢轴方向的光束参数积。
其中，每个冷却座上安装有至少一个半导体激光器bar条，各个半导体激光器bar条之间采用串联电路连接。
其中，所述每个冷却座上安装有两个半导体激光器bar条。其中，所述半导体激光器bar条与冷却座之间加装有绝缘陶瓷片，半导体激光器bar条与对应的陶瓷片之间垫有铟膜。
其中，多个冷却座以快轴竖直方向固定在一支承座上，各个冷却座之间采用串联方式排列。
其中，多个冷却座以快轴平行方向固定在一呈阶梯状的支承座上，各个冷却座之间采用并联方式排列。
其中，所述冷却座由红铜或铝合金制成，内部开有纵横其间的冷却水水道。
其中，冷却座与支撑座之间的水路连接处装有密封圈，普通纯净水从支撑座上导入导出。
其中，所述半导体激光器bar条与冷却座之间加装有有铟膜。
其中，所述半导体激光器bar条为Mini-Bar条，Mini-Bar条安装有快轴准直镜，使Mini-Bar条的光束在快轴方向形成准直平行光输出。
本发明所达到的技术效果是本发明摒弃了传统的成本高昂的微通道去离子水冷却方式，使用普通纯净水即可对bar条进行传导冷却，通过对半导体激光器bar条以串联电路方式排布，达到了与微通道水冷半导体激光器垂直阵列相类似的使用效果，使用及维护成本大幅降低。
【附图说明】
图1为本发明Mini-Bar条的结构示意图；
图2为图1所示Mini-Bar条上加装有快轴准直镜的示意图；
图3为本发明的Mini-Bar条组装在冷却座上的示意图；
图4为图3所示Mini-Bar条组装在冷却座上剖视图；
图5为本发明的第一实施例的示意图；
图6为的第二实施例的示意图；
图7为图6所示的Mini-Bar条与冷却座剖视图；
图8为第三实施例的示意图。
【具体实施方式】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明涉及一种传导冷却高功率半导体激光器空间摆放阵列，通过选用多种固体激光器提供了一种理想的泵浦光源，多种固体激光器选用多个CS封装半导体激光器bar条，如图1，在本实施中，CS封装半导体激光器bar条选用迷你型封装半导体激光器bar条10(以下简称Mini-Bar)，其中，Mini-Bar条10是一种类似于CS封装半导体激光器bar条，Mini-Bar条输出功率也与CS bar条相当，可达数十瓦，只是其热沉的厚度及宽度尺寸要小于CS bar条。
如图2，所有Mini-Bar条10均需加装快轴准直镜11，使光束在快轴方向形成准直平行光12输出。
如图3和图4，每个Mini-Bar条10各安装于一块导热性能优良的通水冷却座20上，冷却座20上设有多个冷却水道21，Mini-Bar条10通过冷却座10输入普通纯净水对其进行传导冷却，使用普通纯净水作为冷却水对Mini-Bar条10传导冷却，摒弃了传统的陈本高昂的微通道去离子水冷却方式，使用及维护成本大幅降低。
再通过合理的计算，将多个安装于冷却座20上的Mini-Bar条10沿快轴方向排布，并使排布后的半导体激光器的快轴方向的光束参数积不大于慢轴方向的光束参数积，所有冷却座20又都安装于同一块绝缘非金属件(以下将详细叙述)上，冷却水从该非金属件上导入，Mini-Bar条之间采用串联电路连接。
众所周知，典型半导体激光器阵列LDA结构具有以下特征：发光区尺寸为1μm×10mm；光束在垂直和平行于P-N结两方向(俗称快轴和慢轴)上的发散角很大且不对称，快轴方向发散角一般为40°左右(半高全宽)，慢轴方向一般为10°左右(半高全宽)；快轴方向光束质量接近衍射极限，即M2 fast≈1；而慢轴方向光束质量较差，其光束参数积(BPP＝ωθ)约为1745mm·mrad，虽然慢轴方向光束质量较差，但仍可用透镜将其耦合进NA＝0.22、芯径为4mm的光纤、棒状波导或棒装激光晶体中；又如前所述，bar条需加装快轴准直镜，且应使光束在快轴方向成为准平行光，即准直后的快轴发散角应是越小越好，最好是小于1°，再将准直后的bar条沿快轴方向排布，只要排布后快轴方向的BPP值不大于慢轴方向的BPP值1745mm·mrad，就可以使排布后的快轴方向也满足前述的耦合条件，且快轴方向的束腰直径为ω≤1745/(1*π*1000/180)＝100mm。
若每个Mini-Bar与其相应的通水冷却板所占据空间的高度尺寸为20mm，则将可沿快轴方向排布的bar条个数为100mm/20mm＝5个，若进一步优化设计，使每个Mini-Bar条所占据的空间高度尺寸更小，则将可排布更多数量的bar条，如每个bar条的输出功率为40W，则本发明所揭露的单个传导冷却高功率半导体激光器垂直阵列的激光输出功率将可达200W～400W的水平，且不使用去离子水水冷系统，经过另行设计的透镜或反射镜系统成像耦合后，将可成为高功率端面泵浦激光器或板条激光器的理想泵浦光源。
所述通水冷却板可由红铜或铝合金等导热性能优良的金属材料制成，亦可由导热性能优良的绝缘材料制成，其内部开有合理设计的冷却水流通水路，以对各自所安装的Mini-Bar条进行充分的冷却并进行适当的温度调谐。
本发明具体实施的关键是合理设计半导体激光器bar条所用的冷却座20的结构，并在保证bar条充分冷却的条件下，尽量缩小单个冷却座所占据的空间尺寸，尤其是要缩小其高度方向的尺寸，在保证排布后的快轴方向的光束参数积不大于慢轴方向的光束参数积的情况下，尽可能多地沿快轴方向排布bar条。
下面介绍本发明的几个典型实施例：
图5所示为本发明的第一种实施例，每个半导体激光器bar条10(本实施例中为Mini-Bar条)以快轴竖直方向固定在一号冷却座30上，各个冷却座30之间采用串联方式排列，Mini-Bar条10与对应的冷却座30之间设有中间垫有铟膜，一号冷却座30由红铜或铝合金制成，内部开有纵横其间的冷却水道(图未示)，Mini-Bar条10各安装在一个一号冷却座30上，所有冷却座30都被安装在一个由绝缘材料制成的一号支撑座40上，这样可使各个bar条10能形成串联电流回路，另外冷却座30与一号支撑座40之间的水路联接处装有密封圈，冷却水(本是实施中，冷却水为普通纯净水)从一号支撑座40上导入导出，在本实施例中，相邻bar条的间距为20mm，共沿快轴方向排布了五个bar条。
图6所示为本发明的第二种实施例，两个Mini-Bar10被安装在一个二号冷却座60上，各个冷却座60之间仍采用串联方式排列。在本实施例中，二号冷却座60的制作材料有两种选择：一是选用导热优良的非金属材料，Mini-Bar10加垫铟膜后安装于冷却座60上；二是选用金属材料制作，但需在Mini-Bar10和冷却座60之间加装一片导热优良的绝缘陶瓷片，Mini-Bar与陶瓷片之间、陶瓷片与冷却座之间均夹有铟膜，另外，安装Mini-Bar的螺栓与bar条的负极之间亦装有一个防止短路的绝缘套，或螺栓本身为绝缘材料制成。所有冷却座都被安装在一个二号支撑座70上，各个bar条之间也是串联电路联接，冷却座与二号支撑座70之间的水路联接处装有密封圈，冷却水从二号支撑座70的背面导入导出，在本实施例中，相邻bar条的间距为13mm，共沿快轴方向排布了八个bar条。
图7和图8所示为本发明的第三种实施例，Mini-Bar被安装在三号冷却座80上，中间垫有铟膜，三号冷却座80由红铜或铝合金制成，其进出水口开在冷却座80的底部，冷却座80与三号支撑座90的水路连接处亦装有密封圈，每个半导体激光器bar条10各安装在一个三号冷却座80上，所有冷却座80都被安装在一个由绝缘材料制成的三号支撑座90上，bar条间也是串联电流回路。在本实施例中，三号支撑座90采用阶梯状设计，各个冷却座30之间以并联方式排列，可有效缩短相邻bar条的间距，能沿LD快轴方向平行摆放数量众多的bar条，是一种极为理想的实施方法。
本发明所达到的技术效果是：本发明为多种固体激光器提供了一种理想的泵浦光源选择，此种传导冷却高功率半导体激光器空间摆放阵列摒弃了传统的成本高昂的微通道去离子水冷却方式，仅使用普通纯净水即可对bar条进行传导冷却，仅通过对半导体激光器bar条的空间排布就达到了与微通道水冷半导体激光器垂直阵列相类似的使用效果。

Claims (10)

1.一种半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于，包括：多个半导体激光器bar条、安装该多个半导体激光器bar条的冷却座、固定该冷却座的支撑座，其中，半导体激光器bar条通过冷却座输入普通纯净水对其进行传导冷却，通过将多个半导体激光器bar条在冷却座上沿快轴方向排布，使排布后的快轴光束参数积不大于慢轴方向的光束参数积。
2.如权利要求1所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：每个冷却座上安装有至少一个半导体激光器bar条，各个半导体激光器bar条之间采用串联电路连接。
3.如权利要求2所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：所述每个冷却座上安装有两个半导体激光器bar条。
4.如权利要求3所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：所述半导体激光器bar条与冷却座之间加装有绝缘陶瓷片，半导体激光器bar条与对应的陶瓷片之间垫有铟膜。
5.如权利要求2所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：多个冷却座以快轴竖直方向固定在一支承座上，各个冷却座之间采用串联方式排列。
6.如权利要求2所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：多个冷却座以快轴平行方向固定在一呈阶梯状的支承座上，各个冷却座之间采用并联方式排列。
7.如权利要求如权利要求1所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：所述冷却座由红铜或铝合金制成，内部开有纵横其间的冷却水水道。
8.如权利要求如权利要求1所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：冷却座与支撑座之间的水路连接处装有密封圈，普通纯净水从支撑座上导入导出。
9.如权利要求1所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：所述半导体激光器bar条与冷却座之间加装有有铟膜。
10.如权利要求1所述的半导体激光器空间摆放阵列，其特征在于：所述半导体激光器bar条为Mini-Bar条，Mini-Bar条安装有快轴准直镜，使Mini-Bar条的光束在快轴方向形成准直平行光输出。
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