CN106025788A - 一种用于半导体激光器的循环水冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，与现有技术相比解决了散热效果差、拆装不便的缺陷。本发明包括进水管、出水管、上导热铜块和下导热铜块，所述的上导热铜块和下导热铜块均安装在箱体内，所述的进水管和出水管均安装在壳体的同一侧部，进水管通过上直通快速接头安装在上导热铜块的进水口上，上导热铜块的出水口安装有上直角快速接头，上直角快速接头安装在串联冷却水管的一端，串联冷却水管的另一端安装有下直角快速接头，下直角快速接头安装在下导热铜块的进水口上，下导热铜块的出水口通过下直通快速接头与出水管相接。本发明提高了散热效率，降低了所需冷却水的流量及压强，增加了激光器使用寿命。

Description

一种用于半导体激光器的循环水冷却装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体来说是一种用于半导体激光器的循环水冷却装置。

背景技术

在激光器设计制造技术领域中，散热是激光器设计制造中的最重要环节之一。激光器发光光源Laser Diode（激光二极管）光功率一般为总功率的25%左右，即75%左右的能量都会转化为热量（以Violet Laser Diode为例，光功率1000MW，总功率4500MW,光功率22.2%）。而Laser Diode的稳定工作温度在20℃~30℃之间，温度波动越大，光功率越不稳定，温度过高甚至会烧坏Laser Diode，因此激光器散热就是摆在激光器设计制造中的重要问题。

传统的激光器散热冷却水水路为紫铜管折弯而成，折弯成U型回路后，夹在两片式散热块中间。紫铜管外径公差都比较大，因此夹在两片散热块中间并不能很好的贴合在散热块上，空气层导热系数非常低，因此有的结构会在空气层中灌入导热硅脂，而导热硅脂的导热系数也非常低（空气层导热系数0.023 W/(m·K)，铜的导热系数为400W/(m·K)，较好的导热硅脂导热系数也就在8W/(m·K)）。而且紫铜管与冷水机连接需要焊接接头，且焊接接头与水管连接需抱箍锁紧，拆装都非常费时费力。

在导热系数低的情况下如果要达到散热效果，就必须增加水流量、流速，在水流量、流速加大的同时，管内压力也相应增大，则会增加激光器损坏机率，影响激光器使用寿命。因此如何开发出一种激光器有效的散热结构且拆装省时已经成为激光器设计过程中的重要问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中散热效果差、拆装不便的缺陷，提供一种用于半导体激光器的循环水冷却装置来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，包括箱体，还包括进水管、出水管、上导热铜块和下导热铜块，所述的上导热铜块和下导热铜块均安装在箱体内，所述的进水管和出水管均安装在壳体的同一侧部，进水管通过上直通快速接头安装在上导热铜块的进水口上，上导热铜块的出水口安装有上直角快速接头，上直角快速接头安装在串联冷却水管的一端，串联冷却水管的另一端安装有下直角快速接头，下直角快速接头安装在下导热铜块的进水口上，下导热铜块的出水口通过下直通快速接头与出水管相接。

还包括上排405nm半导体发光阵列和下排375nm半导体发光阵列，所述的上排405nm半导体发光阵列安装在上导热铜块上，所述的下排375nm半导体发光阵列安装在下导热铜块上。

所述的上导热铜块包括底座和上盖，底座内部横向设有通水管，上直通快速接头安装在通水管的进水口上，上直角快速接头安装在通水管的出水口上；底座上设有16个下凹口，上盖底部设有16个上凹口，上排405nm半导体发光阵列的16个上光纤耦合模块分别安装在16个下凹口上，上盖安装在底座上且16个上凹口分别安装在上排405nm半导体发光阵列的16个上光纤耦合模块上。

所述的下凹口位于通水管的上方。

所述通水管的两侧均为密封圆锥管螺纹结构。

所述上光纤耦合模块的半导体发光二极管安装在下凹口上。

有益效果

本发明的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，与现有技术相比提高了散热效率，降低了所需冷却水的流量及压强，增加了激光器使用寿命，并且使激光器的后期维护、维修更加简便。

附图说明

图1为本发明安装在半导体激光器中的结构俯视图；

图2为半导体激光器中上光纤耦合模块的结构剖面图；

图3为本发明中上导热铜块的立体结构图；

图4为图3的纵向剖面图；

图5为图3的结构爆炸图；

其中，1-半导体发光二极管、2-耦合透镜、3-光纤陶瓷插头、4-光纤、5-下光纤耦合模块、6-上光纤耦合模块、7-一号光纤输出端口、8-二号光纤输出端口、11-壳体、12-上排405nm半导体发光阵列、13-下排375nm半导体发光阵列、14-连接件、15-一号光纤束、16-二号光纤束、17-中间件、20-下导热铜块、21-进水管、22-出水管、23-上导热铜块、24-上直通快速接头、25-上直角快速接头、26-串联冷却水管、27-下直角快速接头、28-下直通快速接头、31-上盖、32-底座、33-通水管、34-下凹口、35-上凹口。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，激光直写曝光机的多波长紫外半导体激光器，包括壳体11，壳体11用于各组件的安装固定。壳体11内安装有上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13，上排405nm半导体发光阵列12用于产生405nm波长，下排375nm半导体发光阵列13用于产生375nm波长，上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13在壳体11的布置可以呈镜像对应，只要方便光纤4的引出和缠绕即可。其中，光纤4可以均为石英光纤，光纤4内径均为123um，光学利用率在75%--90%之间，对375nm和405nm波段具有高透过率。壳体11的侧部设有一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8，一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8为现有技术中的光纤输出端口，其安装在壳体11的侧部。为了方便上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13上光纤4的引出，上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13分别位于一号光纤输出端口7（二号光纤输出端口8）的两侧，一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8只要靠近上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13即可。

由于单颗375nm或者405nm半导体发光二极管最大只有1.1W，如果需要大于10W的半导体激光器，就需要将多个半导体发光二极管发出的光通过耦合透镜耦合进光纤，再将光纤进行捆绑。因此，上排405nm半导体发光阵列12包括16个上光纤耦合模块6，同样，下排375nm半导体发光阵列13包括16个下光纤耦合模块5。上光纤耦合模块6与下光纤耦合模块5两者结构相同，所不同的是上光纤耦合模块6的半导体发光二极管为405nm半导体发光二极管，下光纤耦合模块5的半导体发光二极管为375nm半导体发光二极管，因此上光纤耦合模块6发出405nm波长，下光纤耦合模块5发出375nm波长。16个上光纤耦合模块6和16个下光纤耦合模块5上均接有光纤4，同理，上光纤耦合模块6中接出的光纤4为405nm波长，下光纤耦合模块5接出的光纤4为375nm波长。

为了实现多波长的设计要求，8个上光纤耦合模块6所接的光纤4与8个下光纤耦合模块5所接的光纤4捆绑成一号光纤束15，则一号光纤束15分别由16根光纤4捆绑而成，其中405nm波长和375nm波长各占8根。一号光纤束15接入一号光纤输出端口7，则从一号光纤输出端口7输出405nm波长和375nm波长的多波长激光信号。同理，另8个上光纤耦合模块6所接的光纤4与另8个下光纤耦合模块5所接的光纤4捆绑成二号光纤束16，二号光纤束16接入二号光纤输出端口8，则从二号光纤输出端口8也输出405nm波长和375nm波长的多波长激光信号。

如图2所示，上光纤耦合模块6包括半导体发光二极管1和耦合透镜2，半导体发光二极管1和耦合透镜2均安装在中间件17上，半导体发光二极管1发出的光照射在耦合透镜2上。耦合透镜2的两个表面均为非球面结构，耦合透镜2与半导体发光二极管1相对的一面的数值孔径为0.5，耦合透镜2与光纤陶瓷插头3相对的一面的数值孔径为0.2。耦合透镜2设计采用非球面，能最大程度降低球差的影响，提高光学耦合利用率。其材质可选用热压材料。耦合透镜2的两个表面均镀有405nm或者375nm高透膜，耦合透镜2对405nmLD或者375nm的耦合效率在75%-90%。单不局限在405nm或者375nm。

中间件17和连接件14均为现有技术中的安装固定部件，中间件17横向安装有连接件14,其也可以利用现有技术中的光阑设计。连接件14上安装有光纤陶瓷插头3，光纤陶瓷插头3用于接收耦合透镜2耦合后的光信号，光纤陶瓷插头3上连接有光纤4，光纤4将光信号输出。半导体发光二极管1、耦合透镜2和光纤陶瓷插头3三者依次排列且三者的中间点位于同一条直线上，半导体发光二极管1发出的光束经过耦合透镜2耦合后集中到光纤陶瓷插头3上，并通过光纤4对外传输。

由于半导体发光二极管1工作时热量较大，稳定工作温度在20℃~30℃之间，温度波动越大光功率越不稳定，温度过高甚至会烧坏半导体发光二极管1，因此散热就是摆在激光器设计制造中的重要问题。如图1和图3所示，在箱体11中可以设计本发明所述的循环水冷却装置。本发明包括进水管21、出水管22、上导热铜块23和下导热铜块20，上导热铜块23和下导热铜块20均安装在箱体11内，上导热铜块23和下导热铜块20分别用于上排405nm半导体发光阵列12和下排375nm半导体发光阵列13的散热，上排405nm半导体发光阵列12安装在上导热铜块23上，下排375nm半导体发光阵列13安装在下导热铜块20上。

进水管21和出水管22均安装在壳体11的侧部，进水管21用于冷水的进入，出水管22用于循环冷水的送出。进水管21通过上直通快速接头24安装在上导热铜块23的进水口上，上导热铜块23的出水口安装有上直角快速接头25，在此上直通快速接头24和上直角快速接头25的设计可以方便上导热铜块23的拆卸，当上排405nm半导体发光阵列12出现故障时，通过上直通快速接头24和上直角快速接头25可以方便地将上导热铜块23联同上排405nm半导体发光阵列12一块取出。同样，为了方便上直通快速接头24和上直角快速接头25在上导热铜块23的通水管33上的安装，通水管33的两侧均为密封圆锥管螺纹结构，使得密封更好、安装更方便。

串联冷却水管26用于循环冷水过渡使用，上直角快速接头25安装在串联冷却水管26的一端，串联冷却水管26的另一端安装有下直角快速接头27。同理，下直角快速接头27安装在下导热铜块20的进水口上，下导热铜块20的出水口通过下直通快速接头28与出水管22相接，这样从进水管21进入的冷却水经过上直通快速接头24再进入上导热铜块23，对上排405nm半导体发光阵列12进行降温，再通过上直角快速接头25进入串联冷却水管26，经过上直角快速接头25进入下导热铜块20，对下排375nm半导体发光阵列13进行降温后，通过下直通快速接头28从出水管22输出。

上导热铜块23与下导热铜块20两者内部结构基本相同，只是水流方向略有差异。在此针对上导热铜块23为例，阐述其内部结构，如图4和图5所示，上导热铜块23包括底座32和上盖31，底座32用于安装上光纤耦合模块6。底座32内部横向设有通水管33，通水管33横向贯穿底座32，使得安装在底座32上的光纤耦合模块6均能受到良好的散热。上直通快速接头24安装在通水管33的进水口上，即上直通快速接头24安装在上导热铜块23的进水口上，上直角快速接头25安装在通水管33的出水口上，即上直角快速接头25安装在上导热铜块23的出水口上。

底座32上设有16个下凹口34，下凹口34为上光纤耦合模块6的安装座。为了得到更好的降温效果，下凹口34可以位于通水管33的上方。上盖31底部设有16个上凹口35，上凹口35用于和下凹口34配合对上光纤耦合模块6进行固定限位。上排405nm半导体发光阵列12的16个上光纤耦合模块6分别安装在16个下凹口34上，其可以采用现有技术中多种安装方式进行安装，但为了最优的降温效果，可以将上光纤耦合模块6的半导体发光二极管1安装在下凹口34上，直接对半导体发光二极管1进行降温。上盖31安装在底座32上，16个上凹口35分别安装在上排405nm半导体发光阵列12的16个上光纤耦合模块6上，通过上凹口35和下凹口34将上光纤耦合模块6进行安装固定。

在实际使用时，当半导体激光器工作时，上排405nm半导体发光阵列12产生405nm波长，下排375nm半导体发光阵列13产生375nm波长，并分别从一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8输出405nm波长和375nm波长的多波长激光信号。此时，冷却水从进水管21中进入，对上排405nm半导体发光阵列12进行降温后再对下排375nm半导体发光阵列13进行降温，最后从出水管22中排出。其中，上导热铜块23与下导热铜块20与冷却水直接接触，中间没有空气层或者导热硅脂增加热阻，散热效果达到最佳。当半导体激光器需要维修、维护时，只需取下上直通快速接头24、上直角快速接头25、下直角快速接头27或下直通快速接头28，即可分离半导体激光器各个模块，方便快速。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，包括箱体（11），其特征在于：还包括进水管（21）、出水管（22）、上导热铜块（23）和下导热铜块（20），所述的上导热铜块（23）和下导热铜块（20）均安装在箱体（11）内，所述的进水管（21）和出水管（22）均安装在壳体（11）的同一侧部，进水管（21）通过上直通快速接头（24）安装在上导热铜块（23）的进水口上，上导热铜块（23）的出水口安装有上直角快速接头（25），上直角快速接头（25）安装在串联冷却水管（26）的一端，串联冷却水管（26）的另一端安装有下直角快速接头（27），下直角快速接头（27）安装在下导热铜块（20）的进水口上，下导热铜块（20）的出水口通过下直通快速接头（28）与出水管（22）相接。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，其特征在于：还包括上排405nm半导体发光阵列（12）和下排375nm半导体发光阵列（13），所述的上排405nm半导体发光阵列（12）安装在上导热铜块（23）上，所述的下排375nm半导体发光阵列（13）安装在下导热铜块（20）上。

3.根据权利要求2所述的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，其特征在于：所述的上导热铜块（23）包括底座（32）和上盖（31），底座（32）内部横向设有通水管（33），上直通快速接头（24）安装在通水管（33）的进水口上，上直角快速接头（25）安装在通水管（33）的出水口上；底座（32）上设有16个下凹口（34），上盖（31）底部设有16个上凹口（35），上排405nm半导体发光阵列（12）的16个上光纤耦合模块（6）分别安装在16个下凹口（34）上，上盖（31）安装在底座（32）上且16个上凹口（35）分别安装在上排405nm半导体发光阵列（12）的16个上光纤耦合模块（6）上。

4.根据权利要求3所述的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，其特征在于：所述的下凹口（34）位于通水管（33）的上方。

5.根据权利要求3所述的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，其特征在于：所述通水管（33）的两侧均为密封圆锥管螺纹结构。

6.根据权利要求3所述的一种用于半导体激光器的循环水冷却装置，其特征在于：所述上光纤耦合模块（6）的半导体发光二极管（1）安装在下凹口（34）上。