CN105576489A - 一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，多个半导体激光器侧泵单元以其环状通水热沉圆环中心为中心轴并沿轴向叠加构成本发明的模块化半导体激光器侧泵模块。本发明采用模块化的设计结构，可根据功率需求灵活调整半导体激光器的个数，此外相邻侧泵单元交错排列，使入射激光晶体的激光光束呈交错排列，可显著提高固体激光器的均匀性和泵浦效率。

Description

一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、成本低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，比如半导体激光泵浦固体激光器或光纤激光器，医疗美容以及工业加工等领域。
在半导体激光器作为泵浦源的应用中，目前商业化的侧泵模块常采用半导体激光器呈正三角、正五角、正七角等形式分布于晶体棒周围，侧泵模块多采用水平阵列半导体激光器沿晶体棒轴向排布的方式，比如中国专利CN102570267A和CN101834402B所公开的半导体激光器侧泵模块，均采用了上述结构。随着全固态激光器在工业、医疗、军事等领域的应用需求越来越多，这对侧泵模块中半导体激光器泵浦源的均匀性提出了更高的要求，此时传统的侧泵方式已不能满足越来越高的泵浦效率和均匀性的要求。
此外，传统侧泵模块的半导体激光器只能满足单一的泵浦需求，在多需求的应用中缺少灵活性，不利于模块的产业化，后期维护更换也较为复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，可根据功率需求，灵活调整半导体激光器的个数，并且提高了侧泵的均匀性和效率。具体的技术方案为：
一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，包括至少两个半导体激光器侧泵单元。所述的半导体激光器侧泵单元包括中部贯通的环状通水热沉，设置于环状通水热沉内壁的多个半导体激光器，以及用于实现相邻半导体激光器电连接和固定的金属连接块；多个半导体激光器发出的激光光束汇聚于环状通水热沉的中心（即晶体棒的安装区），上述激光光束以非相干叠加的方式汇聚于环状通水热沉的中心。
所述的半导体激光器侧泵模块中的半导体激光器侧泵单元以环状通水热沉圆环中心为中心轴并沿轴向叠加，相邻的半导体激光器侧泵单元可以为交错叠加，即以圆环中心轴为旋转轴相互旋转使其对应的半导体激光器发出的激光呈0-120度的角度差，使得相邻的半导体激光器侧泵单元对应位置的半导体激光器发出的激光光束可以在同一直线上，也可以相互偏转相应的角度。
所述的环状通水热沉内壁设置有与半导体激光器一一对应的安装平台，相邻安装平台之间有贯通环状通水热沉内壁至外壁的安装孔。环状通水热沉上还设置有定位孔，用于多个半导体激光器侧泵单元的定位安装。
环状通水热沉上设有进水孔和出水孔，其本体内部设有液体制冷通道，连通进水孔和出水孔。该水路结构可以做进一步优化：环状通水热沉的液体制冷通道为双层单独水路，双层水路之间由环状通水热沉本体分隔。
所述的半导体激光器包括激光芯片，导电导热衬底和热沉底座。半导体激光器的激光芯片键合于相应的导电导热衬底之间，导热导电衬底通过绝缘层键合于热沉底座上。所述半导体激光器还包括两片L型电极片，L型电极片一端键合于导电导热衬底（分别连接半导体激光器的正电极和负电极），另一端通过绝缘层紧密贴合于热沉底座上。
所述的金属连接块为T型，设置于相邻的半导体激光器之间，用于实现相邻的半导体激光器的电连接以及与环状通水热沉之间的固定。所述T型金属连接块上部可以紧压相邻的半导体激光器的热沉底座并与热沉底座上的L型电极片连接，T型下部通过机械连接方式与环状通水热沉的安装孔连接。
所述T型下部或者环状通水热沉安装孔内部设置绝缘套筒，使得金属连接块与环状通水热沉绝缘。
所述环状通水热沉为具有高导热率的金属材料，比如铜或铜金刚石复合材料；或者高导热率的绝缘材料，比如氮化铝陶瓷。
所述环状通水热沉设有半导体激光器的电极引出接口，用于设置半导体激光器正电极的引出电极和负电极的引出电极。
所述半导体激光器侧泵单元中的半导体激光器通过金属连接块依次串联连接；相邻的半导体激光器侧泵单元之间可以是串联、并联或串并联连接。
本发明的优点：
采用模块化的设计结构，半导体激光器个数可以调整，在不同需求中可灵活选择；半导体激光器可以单独通过环状通水热沉的安装孔以机械方式安装于热沉上，便于后期拆装维护；此外，本发明提出了相邻的侧泵单元交错排列，使入射激光晶体的激光光束呈交错排列，可显著提高固体激光器的均匀性和泵浦效率。
附图说明
图1为本发明的半导体激光器侧泵单元结构。
图2为本发明半导体激光器侧泵单元的环状通水热沉结构。
图3为环状通水热沉的水路示意图。
图4半导体激光器的安装结构。
图5采用了八组半导体侧泵单元的半导体激光器侧泵模块的实施例。
图6-1为采用交错排列方式实施例的相邻侧泵单元。
图6-2为采用交错排列方式实施例的相邻侧泵单元的剖面图。
图7为采用交错排列方式实施例的相邻侧泵单元的俯视图。
附图标号说明：1-半导体激光器，2-金属连接块，3-环状通水热沉的进水孔，4-环状通水热沉的出水孔，5-环状通水热沉的安装平台，6-半导体激光器本体，7-半导体激光器的导电导热衬底，8-L型电极片，9-绝缘层，10-半导体激光器的热沉底座，11-液体制冷通道，12-安装孔，13-定位孔,14-晶体棒，15-半导体激光器的激光芯片。
具体实施方式
本发明提出了一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，包括至少两个半导体激光器侧泵单元。图1为半导体激光器侧泵单元的结构图，半导体激光器侧泵单元包括中部贯通的环状通水热沉，设置于环状通水热沉内壁的多个半导体激光器1，以及用于实现相邻半导体激光器电连接和固定的金属连接块2；多个半导体激光器发出的激光光束非相干叠加汇聚于环状通水热沉的中心，即晶体棒的安装区。
图2为本发明半导体激光器侧泵单元的环状通水热沉结构。所述的环状通水热沉内壁设置有与半导体激光器一一对应的安装平台5，相邻安装平台5之间有贯通环状通水热沉内壁至外壁的安装孔12。环状通水热沉上设有进水孔3和出水孔4，其本体内部设有液体制冷通道，连通进水孔3和出水孔4。该水路结构也可以为图3所示的双层水路结构：环状通水热沉的液体制冷通道11为双层单独水路，双层水路之间由环状通水热沉本体6分隔。图2和图3中箭头指向为制冷液体的工作路径。该双层水路结构也可以参考图6中的液体制冷通道11的结构。
图4为半导体激光器侧泵单元中半导体激光器的安装结构。半导体激光器包括激光芯片15，导电导热衬底7和热沉底座10。半导体激光器的激光芯片15键合于相应的导电导热衬底7之间，导热导电衬底通过绝缘层9键合于热沉底座10上。所述半导体激光器还包括两片L型电极片8，L型电极片8一端键合于导电导热衬底7（分别连接半导体激光器的正电极和负电极），另一端通过绝缘层9紧密贴合于热沉底座10上。
所述的金属连接块2为T型，设置于相邻的半导体激光器之间，用于实现相邻的半导体激光器的电连接以及与环状通水热沉之间的固定。所述T型金属连接块上部可以紧压相邻的半导体激光器的热沉底座并与热沉底座上的L型电极片8连接，T型下部通过机械连接方式与环状通水热沉的安装孔12连接。
图5为本发明侧泵模块的一个实施例，八组半导体激光器侧泵单元以环状通水热沉圆环中心为中心轴沿轴向叠加，每组半导体激光器侧泵单元由15个半导体激光器依次串联连接。环状通水热沉上设置有定位孔13，用于多个半导体激光器侧泵单元的定位安装。所述环状通水热沉上设置有安装孔12，用于安装固定上述半导体激光器侧泵单元的金属连接块2。
本实施例还可以作以下优化得到一种交错排列的半导体激光器侧泵模块：具体的结构为相邻的半导体激光器侧泵单元以圆环中心轴为旋转轴旋转使其对应的半导体激光器发出的激光呈一定的角度差，使得相邻的半导体激光器侧泵单元对应位置的半导体激光器发出的激光光束相互偏转相应的角度。图6-1和图6-2分别为采用上述交错排列方式的一个实施例的相邻侧泵单元及其剖面图，图7为该实施例的俯视图，图中实线箭头为上层半导体激光器侧泵单元中激光器发出的激光，图中虚线箭头表示其相邻的半导体激光器侧泵单元中激光器发出的激光，θ为两层激光光束相互偏转的角度，两层侧泵单元发出的激光光束最终入射在晶体棒14上，在采用5组半导体激光器的侧泵单元实施例中，为了达到最佳的均匀性，θ取值可以为36°。

Claims (8)

1.一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块,其特征在于：包括至少两个半导体激光器侧泵单元；所述的半导体激光器侧泵单元包括中部贯通的环状通水热沉，设置于环状通水热沉内壁的多个半导体激光器，以及用于实现相邻半导体激光器电连接和固定的金属连接块；多个半导体激光器发出的激光光束汇聚于环状通水热沉的中心；所述半导体激光器侧泵单元以环状通水热沉的圆环中心为中心轴并沿轴向叠加。
2.根据权利要求1所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：相邻的半导体激光器侧泵单元以圆环中心轴为旋转轴相互旋转使其对应的半导体激光器发出的激光呈0-120度的角度差。
3.根据权利要求1或者2所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述的环状通水热沉内壁设置有与半导体激光器一一对应的安装平台，相邻安装平台之间有贯通环状通水热沉内壁至外壁的安装孔。
4.根据权利要求1或者2所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述的半导体激光器包括激光芯片，导电导热衬底和热沉底座；半导体激光器的激光芯片键合于相应的导电导热衬底之间，导热导电衬底通过绝缘层键合于热沉底座上；所述半导体激光器还包括两片L型电极片，L型电极片一端键合于导电导热衬底，另一端通过绝缘层紧密贴合于热沉底座上。
5.根据权利要求4所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述的金属连接块为T型，设置于相邻的半导体激光器之间，T型金属连接块上部可以紧压相邻的半导体激光器的热沉底座并与热沉底座上的L型电极片连接，T型下部通过机械连接方式与环状通水热沉的安装孔连接。
6.根据权利要求1或者2所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：环状通水热沉上设有进水孔和出水孔，其本体内部设有液体制冷通道，连通进水孔和出水孔。
7.根据权利要求6所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述环状通水热沉的液体制冷通道为双层单独水路，双层水路之间由环状通水热沉本体分隔。
8.根据权利要求1或者2所述的一种新型模块化的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述半导体激光器侧泵单元中的半导体激光器通过金属连接块依次串联连接；相邻的半导体激光器侧泵单元之间为串联、并联、或者串并联连接。
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