CN105552711A - 采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，涉及半导体激光器领域。解决了现有技术中大功率半导体激光器采用水冷散热，整机体积大且无法在失重条件下工作的问题，提供一种采用热管散热系统散热，可在失重条件下稳定工作的小体积大功率半导体激光器。该激光器由五个激光器子模块、铜板卡具、热电制冷片及热管散热系统组成；激光器子模块、铜板卡具及热电制冷片的数量均为五个；每个激光器子模块发光功率为60W。热管散热系统为U型结构，不仅对激光器子模块起到高效散热作用，还起到封装保护作用。该激光器采用无水冷散热，最大输出功率可达300W，整机尺寸体积小，重量轻，携带方便，且可在失重条件下稳定工作。

Description

采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器。
背景技术
半导体激光器在固体激光器泵浦、材料加工和医疗等领域得到了广泛的应用，并向高集成和高功率方向快速发展。因此，其产生的高热流密度散热问题也随之变得日益严重，并成为当今半导体激光器发展的一个瓶颈。目前，大功率半导体激光器主要采用水冷的方式散热。但是，由于水冷机体积很大，导致大功率半导体激光器整机具有较大的体积和重量，不方便携带与使用。并且，采用水冷散热的半导体激光器无法在具有失重条件的空间中使用。目前，传统散热方式已无法满足当今高集成、小体积、大功率半导体激光器散热的需要。亟需采用一种新的具有高散热性能的散热元件和良好的封装结构来满足大功率半导体激光器散热的需求，以解决大功率小体积半导体激光器有效散热这一世界难题。
发明内容
本发明为解决现有技术中大功率半导体激光器采用水冷散热，存在整机体积大且无法在失重条件下工作的问题，提供一种采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器。
采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，包括多个激光器子模块、多个铜板卡具、多个热电制冷片、一套U型热管散热系统和激光整形与合束装置；所述铜板卡具的厚度依次递增，且相邻铜板卡具的厚度相差2mm；所述多个激光器子模块串联后依次固定在对应的铜板卡具上，所述铜板卡具压在热电制冷片上，通过螺栓固定在所述U型热管散热系统的热管基板上，所述激光器子模块与铜板卡具之间设置有AlN陶瓷片，激光器子模块与所述AlN陶瓷片之间以及AlN陶瓷片与铜板卡具之间设置有铟箔；所述铜板卡具与热电制冷片冷面以及热管基板与热电制冷片热面之间由高绝缘导热胶填充；所述激光器子模块出射激光后经激光整形与合束装置合成一束光输出。
本发明的有益效果：本发明将热管散热系统引入大功率半导体激光器模块中，发明了热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器；
本发明采用高效热管散热技术，有效解决了大功率半导体激光器技术中高热流密度的散热问题，制备半导体激光光源输出功率可达300W。
本发明由于采用无水冷散热技术，制备的半导体激光光源具有体积小(整机尺寸为350mm×350mm×80mm)、重量轻(约10Kg)，结构紧凑、携带方便且可在失重条件下稳定工作等特性。
附图说明
图1为本发明所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器中U型热管散热系统的结构示意图；
图3为图2中U型热管散热系统内热管的示意图；
图4为本发明所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器的铜板卡具结构示意图；
图5为本发明所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器的激光器子模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，包括多个激光器子模块1、多个铜板卡具2、多个热电制冷片3、一套U型热管散热系统4和激光整形与合束装置；
所述多个激光器子模块1串联后分别固定在对应的铜板卡具2上，所述铜板卡具2压在热电制冷片3上，通过螺栓固定在所述U型热管散热系统4的热管基板4-2上，
所述激光器子模块1与铜板卡具2之间设置有AlN陶瓷片，激光器子模块1与所述AlN陶瓷片之间以及AlN陶瓷片与铜板卡具2之间设置有铟箔；
所述铜板卡具2与热电制冷片3冷面以及热管基板4-2与热电制冷片3热面之间由高绝缘导热胶填充；
所述激光器子模块1经激光整形与合束装置准直后，利用空间合束技术合成一束输出。
本实施方式中所述的激光器子模块为五个，每个激光器子模块最大光功率为60W，机械固定后，各激光器子模块之间采用串联的方式连接；所述的激光器子模块1上设有四个直径为3.5mm的第一通孔1-1；铜板卡具2上有四个第一螺孔2-1和四个第二通孔2-2；热管基板4-2上有20个第二螺孔4-2-1，分为五组，每组四个，其中，通过激光器子模块的第一通孔1-1与铜板卡具上的第一螺孔2-1通过螺栓相连拧紧，用于固定激光器子模块1；将铜板卡具上的第二通孔2-2与热管基板上的第二螺孔4-2-1通过螺栓相连拧紧，通过压力将放置在热管基板与铜板卡具间的热电制冷片3固定。
本实施方式所述的铜板卡具2的材质为紫铜，且厚度分别为2mm，4mm，6mm，8mm和10mm。所述的激光器子模块1与铜板卡具2之间通过AlN陶瓷片进行绝缘；激光器子模块1与AlN陶瓷片及AlN陶瓷片与铜板卡具2之间都通过铟箔进行紧密结合；其中，AlN陶瓷片厚度为0.38mm，铟箔厚度为0.1mm；
所述的铜板卡具2与热电制冷片3冷面及热管基板4-2与热电制冷片3冷面热面之间由高绝缘导热胶填充，以保证各接触面之间高效传热，高绝缘导热胶的导热系数为63W/m.K。所述的热电制冷片3冷端面朝上，温度通过温控系统设置为20℃，最大工作电压24V，工作电流10A，最大制冷量148W。
本实施方式所述的激光整形与合束装置包括一个聚焦镜及与各激光器子模块1对应的快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜；激光器子模块1出射激光经快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜后合成一束光输出。
本实施方式所述的U型热管散热系统4由热管4-1、热管基板4-2、两组fin片4-3及两个风扇4-4组成；所述热管4-1贯穿热管基板4-2并固定在U型热管散热系统4的两侧，所述U型热管散热系统4的两侧为两组fin片4-3，两组fin片的一端各设置一个风扇4-4，热管4-1和热管基板4-2材质为铜，fin片4-3材质为铝，用于构建风道及增大散热面积；所述热管4-1数量为6根,同样为U型结构，热管直径为12mm。
本实施方式所述的大功率半导体激光器的最大输出功率可达300W，整机尺寸为350mm×350mm×80mm。

Claims (7)

1.采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，包括多个激光器子模块(1)、多个铜板卡具(2)、多个热电制冷片(3)、一套U型热管散热系统(4)和激光整形与合束装置；所述铜板卡具(2)的厚度依次递增，且相邻铜板卡具(2)的厚度相差2mm；
所述多个激光器子模块(1)串联后依次固定在对应的铜板卡具(2)上，所述铜板卡具(2)压在热电制冷片(3)上，通过螺栓固定在所述U型热管散热系统(4)的热管基板(4-2)上，
所述激光器子模块(1)与铜板卡具(2)之间设置有AlN陶瓷片，激光器子模块(1)与所述AlN陶瓷片之间以及AlN陶瓷片与铜板卡具(2)之间设置有铟箔；
所述铜板卡具(2)与热电制冷片(3)冷面以及热管基板(4-2)与热电制冷片(3)热面之间由高绝缘导热胶填充；
所述激光器子模块(1)出射激光后经激光整形与合束装置合成一束光输出。
2.根据权利要求1所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，U型热管散热系统(4)还包括热管(4-1)、fin片(4-3)和风扇(4-4)，所述热管(4-1)贯穿热管基板(4-2)并固定在U型热管散热系统(4)的两侧，所述U型热管散热系统(4)的两侧为两组fin片(4-3)，两组fin片的一端各设置一个风扇(4-4)。
3.根据权利要求2所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，所述热管(4-1)和热管基板(4-2)的材料为紫铜，fin片的材料为铝。
4.根据权利要求2所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，U型热管散热系统(4)中的热管(4-1)为U型结构。
5.根据权利要求1所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，所述的激光整形与合束装置包括一个聚焦镜及与各激光器子模块(1)对应的快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜；激光器子模块(1)出射激光经快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜后合成一束光输出。
6.根据权利要求1所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，铜板卡具(2)的材质为紫铜，且厚度依次分别为2mm，4mm，6mm，8mm和10mm。
7.根据权利要求1所述的采用热管散热系统散热的小体积大功率半导体激光器，其特征在于，所述AlN陶瓷片厚度为0.38mm，铟箔厚度为0.1mm。
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