CN103779782A - 一种高平均功率二极管泵浦激光模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高平均功率二极管泵浦激光模块及其制备方法。本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块由多个侧泵浦单元模块组成，侧泵浦单元模块的结构自内向外依次的构成为：棒状激光介质、冷却通道、玻璃管、呈正多边形分布的次封装组、内密封槽、冷却通道、外密封槽、装配孔，次封装组通过次封装的次热沉之间的电连接焊接而成，并通过在侧泵浦单元模块基座上开孔将次封装组的正负电极引出。本发明有效降低了工作过程中激光晶体的热应力，提高了泵浦效率；封装结构简单，适用于大电流工作。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种高平均功率二极管泵浦激光模块及其制备方法。
背景技术
二极管激光器以其转换效率高、体积小、可靠性高等特点，在光纤通讯、光盘系统以其它信息处理方面的得到了广泛应用。近几年，随着高功率二极管激光芯片制造工艺成熟和封装技术迅速发展，使其在材料加工、医疗、生物、军事等领域的应用前景更加广阔。
由于闪光灯的光谱比激光晶体的吸收带宽宽的多，晶体只能吸收很少的辐射能量，因此，闪光灯的泵浦效率相对较低。高功率二极管激光器对带宽较窄，并且波长具有选择性，可大幅度提高泵浦光的转换效率，目前，高功率二极管激光器已逐渐代替闪光灯泵浦，作为固体激光器高效泵浦源。但是，在泵浦棒状激光介质模块中，由于大功率二极管激光器对散热要求较高，在专利号为02110983.4、名称为线阵结构的大功率二极管激光器的专利中无冷却结构，只能在低占空比下工作，在专利号为CN 1674372A、名称为多边形大功率二极管激光器叠层阵列模块专利中，每边由多个二极管激光器组成叠层阵列泵浦，其外部冷却器的散热能力和叠阵的封装间距成反比，无法同时兼顾高平均功率泵浦和高效的泵浦两个方面，并且次封装由多层结构组成，芯片距离冷却器较远，同样存在高平均功率工作时的散热问题，无法在高占空比（占空比大于10％）或连续状态下工作的缺点。
发明内容
本发明针对上述现有泵浦模块技术上存在的散热效果差、无法在高占空比或连续状态下工作的缺点，提供一种正N边形的用于高占空比或连续工作体制的棒介质的高平均功率二极管泵浦激光模块及其制备方法。它可以提供高平均功率、高效的泵浦，具有高的泵浦效率、均匀的荧光分布、可在高占空比和连续状态下工作、耐压能力强以及可靠性高等优点。
本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块由多个侧泵浦单元模块组成，侧泵浦单元模块的结构自内向外依次的构成为：棒状激光介质、冷却通道、玻璃管、呈正多边形分布的次封装组、内密封槽、冷却通道、外密封槽、装配孔,次封装组通过次封装的次热沉之间的电连接焊接而成，并通过在侧泵浦单元模块基座上开孔将次封装组的正负电极引出。
高平均功率二极管泵浦激光模块中的次封装由二极管激光器、次热沉A、热沉B和绝缘陶瓷组成，二极管激光器焊接在次热沉之间，绝缘陶瓷焊接在次热沉的底部。
侧泵浦单元模块中的冷却通道的结构为网状圆孔通道结构。
棒状激光介质的冷却液与二极管激光器的冷却液采用串连结构。
次热沉A、热沉B的材料为导热性良好的材料，绝缘陶瓷片为导热性良好的绝缘材料。
本发明的用于高平均功率二极管泵浦激光模块的制备方法，依次包括如下步骤：
a.将二极管激光器21焊接在次热沉A22、次热沉B23上,再将次热沉A22、次热沉B23的底部焊接在绝缘陶瓷24上,制成次封装20；
b.将焊接好的次封装20进行性能测试和老化考核；
c.将经过老化考核的次封装20根据测试的波长和功率进行排列，使每一圈的二极管激光器21性能参数基本相同；
d.将排列好的次封装20依次安装到侧泵浦单元模块30的正多边形的各边上，并在绝缘陶瓷24的底部涂抹焊料，然后在各次封装20之间的三角形空隙中注入焊料；
e.放入回流焊炉中进行一次性焊接；
f.将焊接好的所有侧泵浦单元模块30组装，并把棒状激光介质1安装到模块中间，构成了完整的激光泵浦模块。
本发明与现有技术的明显优势：
由于本发明采用正多边形的均匀泵浦结构形式,因此可实现多个二极管激光器的发射光谱对棒状晶体的均匀泵浦，有效降低了工作过程中激光晶体的热应力，提高了泵浦效率;与嵌入式次封装结构相比,本发明的次封装结构简单，装配精度要求低,容易实现批量化生产，通过材料选择，可有效降低热阻;由于次封装之间的电连接采用一次性焊接方式，可适用于大电流工作，增强了连接的可靠性;本发明中次封装由高热导率的次热沉和绝缘导热陶瓷构成，有效降低了封装工艺难度;本发明的冷却器内部正多边形边界之间设计了阻隔槽，提高了泵浦模块的整体可靠性和成品率; 侧泵浦单元模块之间采用电串连、水串连的整体结构，每个次封装和每个侧泵浦单元模块都可简单更换。
附图说明
图1为本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块整体结构示意图；
图2为本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块单元结构示意图；
图3为本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块的次封装结构示意图；
图中，1.棒状激光介质 2.冷却通道Ⅰ 4.电连接 6.阻隔槽 7.冷却通道Ⅱ 8.内密封槽 9.外密封槽 10. 装配孔 11.正负电极 12. 玻璃管 20.次封装 21.二极管激光器 22.次热沉A 23.次热沉B 24.绝缘陶瓷 30.侧泵浦单元模块 40.前端头 41.后端头 。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的高平均功率二极管泵浦激光模块及其制备方法进行详细描述。
在图1中，侧泵浦模块由多个侧泵浦单元模块30组成，侧泵浦单元模块夹在前端头40、后端头41之间，侧泵浦单元模块通过螺钉固接在一起，冷却液的进口和出口设置在前端头40或后端头41上。
使用过程中，冷却激光介质的冷却液和二极管激光器的冷却液采用串连形式。
在图2中，侧泵浦单元模块结构自内向外的构成为：棒状激光介质1、冷却通道Ⅰ2、玻璃管12、呈正多边形分布的次封装组、内密封槽8、冷却通道Ⅱ7、外密封槽9、装配孔10。次封装组通过次封装20的次热沉之间的电连接4焊接而成，在次封装的绝缘陶瓷之间设有阻隔槽6。通过在侧泵浦单元模块基座上开孔将次封装组的正负电极11引出。
次封装20的结构如图3所示，次封装20由二极管激光器21、次热沉A22、次热沉B 23和绝缘陶瓷24组成，二极管激光器21焊接在次热沉A 22和次热沉B 23之间，绝缘陶瓷24焊接在次热沉A 22和次热沉B 23的底部。
本发明的工作原理是：所有模块之间的电连接采用串联结构，工作时，将驱动电源输出线与正负电极11相连，然后通过给二极管激光器21施加电流，使二极管激光器21发射激光泵浦棒状激光介质1。工作中所产生的热量通过冷却液通道7带走，起到散热作用。
本发明中二极管激光器次封装结构与国外报道的利用BeO陶瓷热沉结构的次封装相比，克服了国外在刻槽BeO上高精度芯片安装要求和高精度加工要求的缺点，芯片安装简单，成品合格率较高，成本较低，有利于批量生产。侧泵浦模块的次封装的数量可根据激光介质棒的直径和单位长度上的泵浦功率决定，该发明可适用于3边到11边测泵浦模块，可设计为泵浦2mm以上的激光介质棒。
本发明的制备过程为：
利用熔点较高的焊料将二极管激光器芯片21焊接在次热沉A 22、次热沉B 23和绝缘陶瓷片24上，次热沉A 22和次热沉B 23的材料选择导热性较好的材料（如无氧铜、金刚石、钨铜合金等），绝缘陶瓷片24同样选择导热性较好的绝缘材料（如氧化铍、氮化铝等）。
将焊接好的次封装进行性能测试和老化考核。
将经过老化考核的次封装根据测试的波长和功率进行排列，使每一圈的二极管激光器性能参数基本相同。
将排列好的次封装依次安装到正多边形的各边上，并在陶瓷底部涂抹低温焊料，利用夹具将各次封装固定，然后在各次封装单元之间的三角形空隙中注入低温焊料。
将整个模块放入回流焊炉中进行一次性焊接，将焊接好的所有模块组装，并把晶体棒安装到模块中间，构成了完整的一体化激光泵浦模块。
正多边的测泵浦单元模块冷却通道Ⅱ7的结构可以设计成网状圆孔通道结构，冷却效率高，可实现占空比20％准连续150W二极管激光器单元的封装或连续40W二极管激光器单元的封装。该泵浦模块对于φ10的Nd：YAG激光介质，占空比15％情况，小信号增益系数达到0.15cm－1。
使用过程中，冷却激光介质的冷却液和二极管激光器的冷却液采用串连形式。
Claims (7)
1.一种高平均功率二极管泵浦激光模块，包括多个侧泵浦单元模块（30），其特征在于：侧泵浦单元模块(30)的结构自内向外的构成为：棒状激光介质(1)、冷却通道(2)、玻璃管(12)、呈正多边形分布的次封装组、内密封槽(8)、冷却通道(7)、外密封槽(9)、装配孔(10)；次封装组通过每个次封装(20)的次热沉之间的电连接(4)焊接而成，并通过在侧泵浦单元模块（30）的基座上开孔将次封装组的正负电极（11）引出。
2.根据权利要求1所述的高平均功率二极管泵浦激光模块，其特征在于：所述的次封装（20）由二极管激光器（21）、次热沉A（22）、次热沉B（23）和绝缘陶瓷(24)组成，二极管激光器（21）焊接在次热沉A（22）和次热沉B（23）之间，绝缘陶瓷（24）焊接在次热沉A（22）、次热沉B（23）的底部。
3.根据权利要求2所述的高平均功率二极管泵浦激光模块，其特征在于：在次封装（20）中的绝缘陶瓷（24）之间设有避免焊料溢出后使二极管激光器（21）与侧泵浦单元模块(30) 的基座相导通的焊料阻隔槽（6）。
4.根据权利要求1所述的高平均功率二极管泵浦激光模块，其特征在于：所述侧泵浦单元模块(30)中的冷却通道（7）的结构为网状圆孔通道结构。
5.根据权利要求1所述的高平均功率二极管泵浦激光模块，其特征在于：所述棒状激光介质（1）的冷却液与二极管激光器（21）的冷却液采用串连结构。
6.根据权利要求2所述的高平均功率二极管泵浦激光模块，其特征在于：所述次热沉A（22）、次热沉B（23）的材料为导热性良好的材料，绝缘陶瓷片（24）为导热性良好的绝缘材料。
7.一种权利要求1所述的高平均功率二极管泵浦激光模块的制备方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
a.将二极管激光器(21)焊接在次热沉A（22）、次热沉B（23）上,再将次热沉A（22）、次热沉B（23）的底部焊接在绝缘陶瓷(24)上,制成次封装(20)；
b.将焊接好的次封装(20)进行性能测试和老化考核；
c.将经过老化考核的次封装(20)根据测试的波长和功率进行排列，使每一圈的二极管激光器(21)性能参数基本相同；
d.将排列好的次封装(20)依次安装到侧泵浦单元模块（30）的正多边形的各边上，并在绝缘陶瓷(24)的底部涂抹焊料，然后在各次封装（20）之间的三角形空隙中注入焊料；
e.放入回流焊炉中进行一次性焊接；
f.将焊接好的所有侧泵浦单元模块（30）组装，并把棒状激光介质(1)安装到模块中间，构成了完整的激光泵浦模块。
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