CN109314368B - 用于高功率激光装置的封装 - Google Patents

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Abstract

在各种实施方式中，诸如二极管线阵的激光发射器通过由在激光发射器所位于的冷却器中的端口形成的冷却流体的喷射流在操作期间被冷却。喷射流射到冷却器的撞击表面上，所述撞击表面热耦合到激光发射器但防止在冷却流体和激光发射器本身之间的直接接触。

Description

用于高功率激光装置的封装
相关申请
本申请要求2016年6月20日提交的美国临时专利申请No.62/352,239的利益和优先权，该临时专利申请的全部公开内容通过引用包含于此。
技术领域
在各种实施方式中，本发明涉及激光装置，例如激光二极管和激光二极管线阵(bar)，特别是用于封装这样的激光装置的设备。
背景技术
高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的激光系统通常包括激光发射器(来自其的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内)以及将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上的光学系统。波长光束组合(WBC)是用于按比例调整来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或布置在一维或二维阵列中的其它激光器的输出功率和亮度的技术。发展了WBC方法以沿着发射器的阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管线阵，其使用色散元件来被组合以形成多波长光束。在WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并通过来自公共部分反射输出耦合器的、由色散元件沿着光束组合维度滤波的波长特定反馈来稳定。在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述了示例性WBC系统，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。
虽然诸如WBC的技术成功地生产用于各种应用的基于激光的系统，但这样的系统的较广泛采用导致了对较高水平的激光输出功率的需求。通常，较高的激光功率涉及在越来越高的电流处的激光二极管的驱动，这导致较高的操作温度和伴随的热管理问题，其目的在于防止基于温度的可靠性问题。利用高度导热的底座来封装高功率激光系统的激光器，底座可限定通过其的冷却流体的流动的封闭通道，例如，如在2015年3月24日提交的美国专利No.9,178,333中所述的，该专利的全部公开内容通过引用包含于此。然而，甚至这样的解决方案也可能不完全解决在高功率激光系统中产生的所有热管理问题。而且，封装相关的问题，例如机械稳定性、应力和腐蚀(由例如冷却流体引起)可能在高功率激光系统中产生。因此，存在对高功率激光器的改进的封装系统的需要，封装系统解决对这样的装置的热、机械和电气需要。
发明内容
根据本发明的实施方式，诸如激光二极管线阵的激光发射器利用被设计成提高装置的机械、热和电气性能的多部件封装。本发明的实施方式以激光发射器的两段式阳极冷却器为特征；阳极冷却器的两个部分被设计成优化激光发射器的液体冷却的功效，同时也抵抗有害的效应，例如腐蚀和机械变形。本发明的实施方式还可包括布置在激光发射器之上的可选的阴极冷却器以将额外的热从激光发射器传导走并进一步提高装置的热特性。
在各种实施方式中，阳极冷却器包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：底部阳极冷却器和布置在其上的与激光发射器直接接触的顶部阳极冷却器。底部阳极冷却器可包括以通孔或喷嘴的阵列为特征的主动冷却部分，通孔或喷嘴将冷却流体(例如水)向上引导到直接在激光发射器下面的顶部阳极冷却器的接收部分。冷却流体在顶部阳极冷却器的该部分上的撞击在激光发射器的操作期间提供温度控制。冷却实现激光发射器在操作期间的较低结温度，从而提供装置的提高的可靠性和/或实现激光发射器在用于较高功率输出的高电流水平处的操作。
顶部阳极冷却器的接收部分的下侧可被修改，以便提高从底部阳极冷却器出现并撞击到顶部阳极冷却器上的冷却喷射流的有效性。例如，顶部阳极冷却器的该撞击表面可以是非平面的和/或被纹理化或成形，以便增加接触面积(对流通过该接触面积而发生)，加速冷却流体到冷却湍流的转变，便于冷却流体的混合和循环和/或干扰在冷却流体喷射流中的任何边界层。例如，撞击表面可包括立柱、凹槽和/或凹坑的图案，以便提高装置的热性能。顶部阳极冷却器也可包括提高顶部阳极冷却器的机械强度(例如它对机械变形的抵抗力)的加强立柱，同时基本上维持由图案化的撞击表面产生的减小的热阻。这样的立柱可使撞击表面的至少部分相当薄，从而改进上覆激光发射器的冷却。
在各种实施方式中，冷却流体直接接触的顶部和底部阳极冷却器或至少其部分包括抵抗由于移动的冷却流体引起的侵蚀和由与冷却流体的反应引起的腐蚀的一种或多种材料，基本上由其组成或由其组成。例如，本发明的实施方式可利用以大约10m/s或甚至更高的速度行进的冷却流体的喷射流，且这样的高速流体(例如水)可侵蚀和/或腐蚀常规热沉材料，例如铝或铜。这些材料也可优选地在机械上是强的和刚性的以抵抗在操作、封装和存储期间的变形，以及至少是稍微导电的。材料还优选地具有与激光发射器本身的材料(例如GaAs(6-8ppm的CTE)或InP(4-5ppm的CTE))的热膨胀系数(CTE)基本匹配的CTE。在各种实施方式中，顶部和/或底部阳极冷却器的材料具有范围从大约0.5ppm到大约12ppm的CTE，从而实现在激光装置的操作期间的低循环疲劳和在封装过程本身期间的低应力。在示例性实施方式中，顶部和/或底部阳极冷却器的全部或部分包括一种或多种材料，例如铜和钨的合金(CuW)、钨、碳化钨(WC)、氧化铝、莫来石、金刚石或碳化硅(SiC)，基本上由其组成或由其组成。在各种实施方式中，顶部和/或底部阳极冷却器的全部或部分包括另一材料，例如铝、铜或不锈钢，基本上由其组成或由其组成，且顶部和/或底部阳极冷却器的至少部分涂覆有一种或多种材料(例如CuW、钨、WC、氧化铝、莫来石、金刚石或SiC)的涂层。
如在本文所利用的，具有高导热率的材料或“导热材料”具有至少100瓦每开尔文每米(W·m-1·K-1)、至少170W·m-1·K-1或甚至至少300W·m-1·K-1的导热率。如在本文所利用的，具有高导电率的材料或“导电材料”具有例如在20℃下的至少1×105西门子每米(S/m)、至少1×106S/m或甚至至少1×107S/m的导电率。如在本文所利用的，具有高电阻率的材料或“电绝缘材料”具有至少1×108欧姆·米(Ω·m)、至少1×1010Ω·m或甚至至少1×1012Ω·m的电阻率。
可在WBC系统中利用根据本发明的实施方式的激光装置以形成高亮度、低光束参数乘积(BPP)激光系统。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在它的最窄点处(即光束腰、最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化激光束的质量和它可多么好地聚焦到小光斑，且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)的单位表示。高斯光束具有由激光的波长除以π给出的最低可能的BPP。实际光束的BPP与在同一波长处的理想高斯光束的BPP之比被表示为M2或“光束质量因子”，其为光束质量的波长无关的度量，“最佳”质量对应于1的“最低”光束质量因子。
如本领域中的技术人员已知的，激光器通常被定义为通过光的受激发射来生成可见或不可见光的装置。激光器通常具有使它们在如上面所提到的各种应用中变得有用的特性。常见的激光器类型包括半导体激光器(例如激光二极管和二极管线阵)、固态激光器、光纤激光器和气体激光器。激光二极管通常基于支持光子(光)的发射的简单二极管结构。然而，为了提高效率、功率、光束质量、亮度、可调谐性等，该简单的结构通常被修改以提供各种很多实际类型的激光二极管。激光二极管类型包括以具有高光束质量的光束生成从几毫瓦一直到大致半瓦的输出功率的小边缘发射种类。二极管激光器的结构类型包括：双异质结构激光器，其包括夹在两个高带隙层之间的一层低带隙材料；量子阱激光器，其包括导致激光的能量的高效率和量子化的非常薄的中间层(量子阱层)；多量子阱激光器，其包括提高增益特性的多于一个量子阱层；量子线或量子海(点)激光器用产生较高效率量子阱激光器的线或点代替中间层；量子级联激光器，其实现在可通过改变量子激光器的厚度来调谐的相对长的波长处的激光作用；独立约束异质结构激光器，其是最常见的商用激光二极管并包括在量子阱层之上和之下的另外两层以有效地限制所产生的光；分布式反馈激光器，其通常在要求高的光通信应用中被使用并包括便于通过将单个波长反射回到增益区来在制造期间生成稳定波长集合的集成衍射光栅；垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其具有与其它激光二极管不同的结构，因为光从它的表面而不是从它的边缘被发射；以及垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)和外腔二极管激光器，其是主要使用双异质结构二极管并包括光栅或多棱镜光栅配置的可调谐激光器。外腔二极管激光器常常是波长可调谐的并展示小发射线宽。激光二极管类型还包括各种高功率的基于二极管的激光器，包括：广域激光器，其特征在于具有长方形输出小面的多模二极管并通常具有差光束质量但生成几瓦的功率；锥形激光器，其特征在于当与广域激光器比较时展示提高的光束质量和亮度的具有锥形输出小面的像散模二极管；脊波导激光器，其特征在于具有卵形输出小面的椭圆模式二极管；以及平板耦合光波导激光器(SCOWL)，其特征在于具有输出小面的循环模式二极管并可以具有几乎圆形剖面的衍射限制光束生成瓦级输出。
二极管激光器线阵是包含广域发射器的一维阵列或可替换地包含包括例如10-20个窄条纹发射器的子阵列的一种类型的半导体激光器。广域二极管线阵通常包含例如19-49个发射器，每个发射器具有例如1μm×100μm的量级的尺寸。沿着1μm维度或快轴的光束质量通常是衍射限制的。沿着100μm维度或慢轴或阵列维度的光束质量通常是多次衍射限制的。通常，用于商业应用的二极管线阵具有1到4mm的量级的激光谐振器长度，且是大约10mm宽，并生成数十瓦的输出功率。大部分二极管线阵在从780到1070nm的波长区域中操作，808nm(对于泵浦钕激光器)和940nm(对于泵浦Yb:YAG)的波长是最显著的。915–976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱高功率光纤激光器和放大器。
本发明的实施方式将(例如由如本文详述被封装的激光装置发射的)一个或多个输入激光束耦合到光纤内。在各种实施方式中，光纤具有围绕单个纤芯的多个包覆层、在单个包覆层内的多个分立纤芯区(或“纤芯”)或由多个包覆层围绕的多个纤芯。
在本文，“光学元件”可以指重定向、反射、弯曲或以任何其它方式光学地操纵电磁辐射的透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任一个。在本文，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括生成电磁光束但可以是或可以不是自谐振的任何电磁光束生成装置，例如半导体元件。这些还包括光纤激光器、圆盘激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括背反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该电磁辐射不限于电磁频谱的任何特定部分，而可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可包括被配置成发射多个光束的多个光束发射器，例如二极管线阵，或基本上由其组成。在本文的实施方式中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。此外，在本文对“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”的引用不仅包括单二极管激光器，而且包括二极管线阵、激光器阵列、二极管线阵阵列以及单个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或VCSEL的阵列。
在一个方面中，本发明的实施方式以激光器封装为特征，激光器封装包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：底部阳极冷却器和顶部阳极冷却器。底部阳极冷却器至少部分地限定穿过其的多个端口，其用于形成穿过端口的冷却流体的喷射流。顶部阳极冷却器布置在底部阳极冷却器之上。顶部阳极冷却器包括或限定激光器平台，其用于在其上接收激光发射器。顶部阳极冷却器在其中限定凹部。凹部布置在激光器平台之下。凹部具有面向底部阳极冷却器的端口的撞击表面，由此，被引入到底部阳极冷却器内并穿过端口喷射的冷却流体射到顶部阳极冷却器的撞击表面以冷却布置在激光器平台上的激光发射器。
本发明的实施方式可以各种组合中的任一个包括下列项中的一个或多个。底部阳极冷却器和/或顶部阳极冷却器的至少一部分可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC(碳化钨)、氧化铝、莫来石、金刚石和/或SiC。撞击表面的至少一部分可限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案(例如凸起和/或凹进的纹理、粗糙度和/或一组凸起和/或凹进的成形特征)。该图案可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：多个凹坑、多个凹槽和/或多个立柱。撞击表面的至少一部分可限定用于增强激光器平台的机械稳定性的多个立柱。封装可包括布置在顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可悬垂且可以不接触顶部阳极冷却器的激光器平台。端口可与撞击表面间隔开以形成混合通道。封装可包括通过底部阳极冷却器的(i)用于引导冷却流体穿过端口并进入混合通道的近端内的入口线路，以及(ii)用于引导冷却流体从混合通道的远端出来的出口线路。混合通道可具有从大约0.01mm到大约30mm的范围中选择的高度。端口的中心至中心的间距可选自大约0.1mm到大约8mm的范围。端口中的至少一个的直径(或其它横向尺寸，例如宽度或长度)可选自大约0.025mm到大约5mm的范围。混合通道的高度与端口中至少一个的直径之比可选自大约0.1到大约30的范围。顶部阳极冷却器和/或底部阳极冷却器的热膨胀系数可选自大约0.5ppm到大约12ppm或甚至大约3ppm到大约10ppm的范围。封装可包括布置在激光器平台上的激光发射器。激光发射器可包括一个或多个二极管线阵或基本上由其组成，每个二极管线阵发射和被配置成发射多个分立光束(例如激光束)。
在另一方面中，本发明的实施方式以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成的波长光束组合激光系统为特征：光束发射器、聚焦光学器件、色散元件、部分反射输出耦合器、底部阳极冷却器和顶部阳极冷却器。光束发射器发射多个分立光束(例如激光束)，并可具有第一和第二相对的表面。聚焦光学器件将多个光束聚焦到色散元件上。在色散元件和聚焦光学器件之间的距离可大致对应于聚焦光学器件的焦距(在其它实施方式中，这个距离小于或大于聚焦光学器件的焦距)。色散元件接收并色散所接收的聚焦光束。部分反射输出耦合器被定位成接收色散光束，通过其(即，通过输出耦合器，例如朝着用多波长光束处理或经受多波长光束的工件)透射色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将色散光束的第二部分反射回到色散元件。色散光束的第二部分可传播回到光束发射器作为对光束的反馈并将每个光束锁定到它的单独波长。不同光束的波长可不同于彼此。底部阳极冷却器至少部分地限定穿过其的多个端口，其用于形成穿过端口的冷却流体的喷射流。顶部阳极冷却器布置在底部阳极冷却器之上。顶部阳极冷却器包括或限定激光器平台，其用于在其上接收光束发射器。顶部阳极冷却器在其中限定凹部。凹部布置在激光器平台之下。凹部具有面向底部阳极冷却器的端口的撞击表面，由此，被引入到底部阳极冷却器内并穿过端口喷射的冷却流体射到顶部阳极冷却器的撞击表面以冷却布置在激光器平台上的光束发射器。
本发明的实施方式可以各种组合中的任一个包括下列项中的一个或多个。色散元件可包括衍射光栅(例如反射光栅或透射光栅)，基本上由其组成或由其组成。撞击表面的至少一部分可限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案(例如凸起和/或凹进的纹理、粗糙度和/或一组凸起和/或凹进的成形特征)。该图案可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：多个凹坑、多个凹槽和/或多个立柱。撞击表面的至少一部分可限定用于增强激光器平台的机械稳定性的多个立柱。封装可包括布置在顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可悬垂且可以不接触顶部阳极冷却器的激光器平台。阴极冷却器的一部分可布置在光束发射器之上并可与光束发射器热接触。
在又一方面中，本公开的实施方式以激光器封装为特征，激光器封装包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：阳极冷却器、在阳极冷却器上的用于接收激光发射器的激光器平台、以及在阳极冷却器和激光器平台之间的混合通道。混合通道包括与激光器平台热接触的撞击表面和跨越混合通道与撞击表面相对的喷射阵列。喷射阵列包括多个端口，其用于形成穿过其的冷却流体的喷射流，由此，被引入到阳极冷却器内并穿过端口喷射的冷却流体射到撞击表面以冷却布置在激光器平台上的激光发射器。
本发明的实施方式可以各种组合中的任一个包括下列项中的一个或多个。混合通道可以部分地或基本上完全被围在阳极冷却器内。阳极冷却器的至少一部分可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC(碳化钨)、氧化铝、莫来石、金刚石和/或SiC。撞击表面的至少一部分可限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案(例如凸起和/或凹进的纹理、粗糙度和/或一组凸起和/或凹进的成形特征)。该图案可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：多个凹坑、多个凹槽和/或多个立柱。撞击表面的至少一部分可限定用于增强激光器平台的机械稳定性的多个立柱。封装可包括布置在阳极冷却器之上的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可悬垂且可以不接触阳极冷却器的激光器平台。混合通道可具有从大约0.01mm到大约30mm的范围选择的高度。端口的中心至中心的间距可选自大约0.1mm到大约8mm的范围。至少一个端口的直径(或其它横向尺寸，例如宽度或长度)可选自大约0.025mm到大约5mm的范围。混合通道的高度与至少一个端口的直径之比可选自大约0.1到大约30的范围。阳极冷却器的热膨胀系数可选自大约0.5ppm到大约12ppm或甚至大约3ppm到大约10ppm的范围。封装可包括布置在激光器平台上的激光发射器。激光发射器可包括一个或多个二极管线阵或基本上由一个或多个二极管线阵组成，每个二极管线阵发射和被配置成发射多个分立光束(例如激光束)。
在另一方面中，本发明的实施方式以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成的波长光束组合激光系统为特征：光束发射器、聚焦光学器件、色散元件、部分反射输出耦合器、阳极冷却器、在阳极冷却器上的用于接收光束发射器的激光器平台、以及在阳极冷却器和激光器平台之间的混合通道。光束发射器发射多个分立光束(例如激光束)，并可具有第一和第二相对的表面。聚焦光学器件将多个光束聚焦到色散元件上。在色散元件和聚焦光学器件之间的距离可大致对应于聚焦光学器件的焦距(在其它实施方式中，这个距离小于或大于聚焦光学器件的焦距)。色散元件接收并色散所接收的聚焦光束。部分反射输出耦合器被定位成接收色散光束，通过其(例如通过输出耦合器，例如朝着用多波长光束处理或经受多波长光束的工件)透射色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将色散光束的第二部分反射回到色散元件。色散光束的第二部分可传播回到光束发射器作为对光束的反馈并将每个光束锁定到它的单独波长。不同光束的波长可不同于彼此。混合通道包括与激光器平台热接触的撞击表面和跨越混合通道与撞击表面相对的喷射阵列。喷射阵列包括多个端口，其用于形成穿过其的冷却流体的喷射流，由此，被引入到阳极冷却器内并穿过端口喷射的冷却流体射到撞击表面以冷却布置在激光器平台上的光束发射器。
本发明的实施方式可以各种组合中的任一个包括下列项中的一个或多个。色散元件可包括衍射光栅(例如反射光栅或透射光栅)、基本上由衍射光栅组成或由衍射光栅组成。撞击表面的至少一部分可限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案(例如凸起和/或凹进的纹理、粗糙度和/或一组凸起和/或凹进的成形特征)。该图案可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：多个凹坑、多个凹槽和/或多个立柱。撞击表面的至少一部分可限定用于增强激光器平台的机械稳定性的多个立柱。封装可包括布置在阳极冷却器之上的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可悬垂且可以不接触激光器平台。阴极冷却器的一部分可布置在光束发射器之上并可与光束发射器热接触。
通过参考下面的描述、附图和权利要求，在此公开的本发明的这些和其它目的连同优点和特征将变得更明显。此外，应理解，本文所述的各种实施方式的特征并不是相互排他的，且可以各种组合和排列存在。如在本文使用的，术语“基本上”意指±10％，且在一些实施方式中意指±5％。术语“基本上由…组成”意指不包括贡献于功能的其它材料，除非在本文另有规定。然而，这样的其它材料可以共同或单独地以微量存在。在本文，术语“辐射”和“光”可互换地被利用，除非另有指示。在本文，“下游”或“光学地下游”用于指示光束在遇到第一元件之后射到的第二元件的相对放置，第一元件在第二元件的“上游”或“光学地上游”。在本文，在两个部件之间的“光学距离”是在光束实际上所行进的两个部件之间的距离；由于例如来自反射镜的反射或从部件之一行进到另一部件的光所经历的传播方向的其它变化，光学距离可以但不一定等于在两个部件之间的物理距离。
附图说明
在附图中，相同的附图标记通常在不同的视图中指相同的部分。此外，附图不一定按比例，而是着重于说明本发明的原理。在下面的描述中，参考附图描述本发明的各种实施方式，其中：
图1是根据本发明的实施方式的激光发射器的两段式阳极冷却器的透视图；
图2是根据本发明的实施方式的包括图1的两段式阳极冷却器和阴极冷却器的激光器封装的透视图；
图3A-3C分别是根据本发明的实施方式的底部阳极冷却器的透视图、顶视图和底视图；
图4是根据本发明的实施方式的由在底部阳极冷却器中的开口形成的流体喷射流的示意图；
图5A是根据本发明的实施方式的顶部阳极冷却器的侧视图；
图5B是图5A的顶部阳极冷却器的截面图；
图5C是图5B的截面图的放大部分；
图5D是图5A的顶部阳极冷却器的底视图；
图6A是根据本发明的实施方式的顶部阳极冷却器的底视图；
图6B是图6A的顶部阳极冷却器的截面图；
图6C是根据本发明的实施方式的顶部阳极冷却器的底视图；
图6D是图6C的顶部阳极冷却器的截面图；
图7是根据本发明的实施方式的激光器封装的侧视图/截面图；以及
图8是根据本发明的实施方式的包括封装激光器的波长光束组合激光器系统的示意图。
具体实施方式
图1描绘根据本发明的实施方式的两段式阳极冷却器100。如所示，冷却器100包括位于底部阳极冷却器120的顶上的顶部阳极冷却器110、基本上由其组成或由其组成。顶部阳极冷却器110一般以平台130为特征，激光发射器(为了清楚起见未示出)布置在平台130上。平台130可以被设计尺寸并成形为容纳期望的激光发射器(例如二极管线阵)。如所示，平台130可以在激光发射器的预期发射方向上稍微升高到顶部阳极冷却器的其它部分之上。顶部阳极冷却器110还通常至少在操作期间经由一个或多个螺钉或其它紧固件紧固到底部阳极冷却器120。在其它实施方式中，利用诸如焊接、软钎焊或硬钎焊的技术来将顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120附接在一起，从而形成整体的一段式阳极冷却器。在还有其它实施方式中，顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120可由具有在本文详述的顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120的特征的单段式阳极冷却器代替；可从金属的实心件用机器加工这样的单段式冷却器。因此，在本文对“顶部阳极冷却器”和“底部阳极冷却器”的引用可在各种实施方式中被考虑为指从单块材料用机器加工或被制造为实质上永久地紧固在一起(例如通过焊接、软钎焊或硬钎焊等)的多个零件的整体“阳极冷却器”的相应部分。
如在下面更详细所述的，底部阳极冷却器120包括冷却喷射器的阵列，冷却流体(例如水)通过冷却喷射器流动，射在直接在激光发射器之下的顶部阳极冷却器110上的内部撞击表面上。冷却流体的喷射流冷却激光发射器，从而提高性能和可靠性和/或使较高电流(和因此较高功率)操作成为可能。顶部阳极冷却器110和/或底部阳极冷却器120的全部或部分可包括一种或多种材料，例如铜、CuW、钨、氧化铝、莫来石、金刚石、SiC和/或WC，基本上由其组成或由其组成。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110和/或底部阳极冷却器120的全部或部分包括另一材料，例如铝、铜或不锈钢，基本上由其组成或由其组成，以及顶部阳极冷却器110和/或底部阳极冷却器120的至少部分被涂覆有一种或多种材料(例如CuW、钨、WC、氧化铝、莫来石、金刚石、SiC)或抵抗流体引起的腐蚀和/或侵蚀的一种或多种其它涂覆材料的涂层。
图2描绘激光器封装150，其包括图1的两段式阳极冷却器100并添加布置在顶部阳极冷却器110和激光发射器平台130(以及因而在操作中激光发射器本身的至少一部分)之上的阴极冷却器200。阴极冷却器200可通过将额外的热量从激光发射器传导走来提高封装装置的热性能。阴极冷却器200还可提高封装装置的机械稳定性，从而最小化或实质上消除在封装、烧焊和/或操作期间激光发射器的变形。阴极冷却器200可被动地冷却或可包括一个或多个内部通道以穿过其传导冷却流体。阴极冷却器200可包括上面对顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120指定的一种或多种材料，基本上由其组成或由其组成，或可包括涂覆有对顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120指定的一种或多种材料或一种或多种其他材料的一种或多种额外的材料(例如铝、铜、不锈钢)，基本上由其组成或由其组成。在其它实施方式中，阴极冷却器200可包括铜(例如未涂覆的铜)，基本上由其组成或由其组成。
图3A、3B和3C分别是根据本发明的各种实施方式的底部阳极冷却器120的透视图、顶视图和底视图。如所示，底部阳极冷却器120可以通常是直线的，且可以以用于将底部阳极冷却器120连接到顶部阳极冷却器110和/或下层基底或底座或激光系统中的其它硬件的一个或多个通孔300。底部阳极冷却器120的顶表面的至少一部分310限定开口(或“端口”)320的阵列，冷却流体通过开口被朝向顶部阳极冷却器110引导——底部阳极冷却器110的这个部分在本文也被称为“主动冷却部分”310。开口320可以实质上是圆柱形的，且开口320的横截面面积在它们的整个厚度上可以是基本恒定的。在其它实施方式中，一个或多个开口320的侧壁逐渐变细以形成喷嘴。在各种实施方式中，开口320的中心至中心的间距的范围从大约0.1mm到大约8mm。在各种实施方式中，开口320的直径(或在以非圆形开口为特征的实施方式中的其它横向尺寸，例如宽度)的范围从大约0.025mm到大约5mm。底部阳极冷却器120的主动冷却部分310可以是基本上矩形的，并可与底部阳极冷却器120的顶表面的剩余部分基本齐平。在其它实施方式中，如图3A所示，主动冷却部分310从底部阳极冷却器120的顶表面的剩余部分向上延伸例如大约0.1mm到大约5mm。底部阳极冷却器120也以冷却流体的入口和出口的通路330为特征，冷却流体穿过底部阳极冷却器120、穿过主动冷却部分310朝着顶部阳极冷却器110(如下面更详细讨论的)流动并从底部阳极冷却器120回来(经由例如靠近主动冷却部分的周边的一个或多个开口)。在操作中，冷却流体进入、穿过底部阳极冷却器120和从底部阳极冷却器120出来的流可以是脉动的或基本上连续的。
图4描绘由在底部阳极冷却器120中的开口320之一形成的单个冷却流体喷射流400的示意图，其中喷嘴(其在本发明的实施方式中面向上但在图4中面向下)的端部与撞击表面间隔了距离z0，其中，冷却流体朝着撞击表面(例如顶部阳极冷却器的撞击表面的至少一部分)流动。在开口320和撞击表面之间的该距离z0定义在底部阳极冷却器120和顶部阳极冷却器110之间形成的“混合通道”的高度，其中冷却流体从开口320喷射以冷却撞击表面(和因而在其上布置的激光发射器)。在各种实施方式中，混合通道可被认为也包括撞击表面。喷嘴具有直径d。根据本发明的各种实施方式，z0与d之比被选择为在大约0.1和大约30之间。喷嘴距离与喷嘴直径的这样的比在各种实施方式中被发现为经由从流经喷嘴的喷射流产生的湍流来提高冷却流体的热性能；在该范围之外的比可导致冷却流体的不足的湍流、混合和冷却作用。在各种实施方式中，主动冷却部分以多个不同开口320为特征。在这样的实施方式中，在开口320之间的间距可导致从每个开口喷射的冷却流体的混合足以最小化或基本上消除喷射流的停滞区(如在图4中描绘的)。也就是说，来自邻近喷射流的湍流和/或混合冷却流体可提高来自喷射流的冷却作用，反之亦然。
图5A和5D分别是根据本发明的各种实施方式的顶部阳极冷却器110的侧视图和底视图。如所指示的，图5B是穿过在图5A的视图上的线5B-5B的截面图，而图5C是图5B的一部分的放大视图。如所示出的，顶部阳极冷却器110具有用于支撑激光发射器的通常平面的顶部平台130。在激光发射器平台130之下，顶部阳极冷却器110限定用于在顶部和底部阳极冷却器固定在一起时接收底部阳极冷却器120的主动冷却部分310的凹部500。凹部500可具有被设计尺寸和成形为容纳底部阳极冷却器120的主动冷却部分310的全部或一部分的下部502。在各种实施方式中，下部502的厚度503大致等于主动冷却部分310在底部阳极冷却器120的顶表面的剩余部分之上突出的高度。凹部500也可具有用于接收由主动冷却部分310产生的冷却流体喷射流的上部505。
凹部500的上表面的至少一部分形成用于接收由底部阳极冷却器120的主动冷却部分310向上引导的冷却流体的喷射流的撞击表面510。在撞击表面510和顶部阳极冷却器110的顶表面(其上布置激光发射器)之间的间距520通常相当小以由此增强喷射流的冷却功效。在各种实施方式中，该间距520的范围从大约0.1mm到大约5mm。
如图5B和5C所示，顶部阳极冷却器110的撞击表面510的至少一部分可被修改(即，成形)，以便增强被引导到其上的喷射流的冷却效果。例如，撞击表面510可限定朝着激光发射器向上引导的一个或多个凹坑530，有效地创建撞击表面510的变薄的成形区。凹坑530(或其它形状)可具有例如在0.001mm和1.8mm之间的高度540。虽然凹坑530在图5D中被描绘为圆形的且以矩形图案分布，但在各种实施方式中，凹坑530可具有其它形状，可在单个顶部阳极冷却器110内具有各种不同的形状，且可以各种不同的间距或几何形状中的任一个中分布和/或间隔开。
撞击表面510也可限定跨越顶部阳极冷却器110中的凹部的宽度延伸的一个或多个立柱550。立柱550由顶部阳极冷却器110的一部分限定，该部分的厚度560大于顶部阳极冷却器110的一个或多个周围部分(其可例如被成形或以另外方式变薄以提高冷却流体喷射流的热性能)的厚度。在各种实施方式中，在顶部阳极冷却器110中的凹部500中的一个或多个立柱550的存在改进了在激光发射器的组装和/或操作期间顶部阳极冷却器110的机械强度(例如抵抗变形)。根据各种实施方式，立柱550可具有范围从大约0.01mm到大约6.2mm的立柱高度560(即，在撞击表面的周围部分之上延伸的距离)。立柱550可具有范围从大约0.045mm到大约6mm的立柱宽度570。在各种实施方式中，在相邻立柱之间的间距580的范围可以从大约0.25mm到大约3.6mm。虽然立柱550在图5D中被描绘为矩形的且具有恒定宽度，但在各种实施方式中，立柱550可具有其它形状。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110不包括立柱550。如图5D所示，顶部阳极冷却器110也可以以一个或多个通孔590为特征以便于顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120的结合。
图6A和6C是根据本发明的另外实施方式的顶部阳极冷却器110的另外示例性实施方式的底视图。如所指示的，图6B是沿线6B—6B的图6A的截面图，以及图6D是沿线6D—6D的图6C的截面图。如图6A所示，顶部阳极冷却器110的撞击表面510可被修改以形成以间距610间隔开的凹进的凹槽600的图案。在各种实施方式中，间距610的范围可以在大约0.01mm和大约2.8mm之间。如图6C所示，顶部阳极冷却器110的撞击表面510可被修改以形成升高(即，远离顶部阳极冷却器110的顶表面)的立柱620的图案。如所示出的，立柱620可以在横截面上基本上是正方形的或矩形的，并且可以规则图案或栅格布置。每个立柱620的宽度(或其它横向尺寸)的范围可以在例如0.1mm和5mm之间。在相邻立柱620之间的间距的范围可以在例如0.1mm和5mm之间。图6A和6C的实施方式也可以以如在上面所述和在图5B-5D中所示的一个或多个立柱550为特征。
图7是根据本发明的实施方式并对应于图2的透视图的组装激光器封装150的截面图/侧视图。如所示，激光器封装150以顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120以及上覆的阴极冷却器200为特征。阴极冷却器200和顶部阳极冷却器在其间限定用于在其中接收激光发射器的开口700；当被接收在开口中时，激光发射器经由从底部阳极冷却器20出现并射到顶部阳极冷却器110的撞击表面510上的冷却流体喷射流来冷却。如在图7上指示的，在顶部阳极冷却器110的撞击表面510和底部阳极冷却器120的主动冷却部分310的上表面之间的距离710对应于在上面讨论和在图4中描绘的距离z0。
可在WBC激光系统中利用根据本发明的实施方式的封装激光发射器(例如二极管线阵)。图8描绘利用封装激光器805的示例性WBC激光系统800。封装激光器805可对应于例如布置在激光器封装150内或布置在如上面详述的两段式阳极冷却器100的顶上的一个或多个激光发射器，且可为了热管理(例如冷却)而利用如上面详述的由主动冷却部分310产生的一个或多个流体喷射流。在图8的例子中，激光器805以具有发射光束810的四个光束发射器(见放大的输入视图815)的二极管线阵为特征，但本发明的实施方式可利用发射任何数量的单独光束的二极管线阵或二极管或二极管线阵的二维阵列或堆叠。在视图815中，每个光束810由线指示，其中线的长度或较长维度表示光束的慢发散维度，且高度或较短的维度表示快发散维度。准直光学器件820可用于沿着快维度准直每个光束810。可包括一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜或基本上其组成的变换光学器件825用于沿着WBC方向830组合每个光束810。变换光学器件825然后将所组合的光束重叠到色散元件835(其可包括例如衍射光栅，诸如反射或透射衍射光栅，基本上由其组成或由其组成)上，且所组合的光束然后作为单个输出轮廓传输到输出耦合器840上。输出耦合器840然后传输组合光束845，如在输出前视图850上所示的。输出耦合器840通常是部分地反射的并用作在该外腔系统800中的所有激光元件的公共前小面。外腔是激光发射系统，其中副反射镜在远离每个激光发射器的发射孔径或小面的距离处移动。在一些实施方式中，附加的光学器件放置在发射孔径或小面和输出耦合器或部分反射表面之间。输出光束845可耦合到光纤内和/或用于诸如焊接、切割、退火等的应用。
在本文使用的术语和表达用作描述而不是限制的术语，且在这样的术语和表达的使用中没有排除所示和所述的特征的任何等价物或其部分的意图，但应认识到，各种修改在所要求保护的本发明的范围内是可能的。

Claims (39)

1.一种激光器封装，包括：
底部阳极冷却器，其至少部分地限定穿过其的多个端口，所述多个端口用于形成穿过其的冷却流体的喷射流；以及
顶部阳极冷却器，其布置在所述底部阳极冷却器之上，所述顶部阳极冷却器(i)包括激光器平台，所述激光器平台用于在其上接收激光发射器，以及(ii)在其中限定凹部，所述凹部(a)布置在所述激光器平台之下，以及(b)具有面向所述底部阳极冷却器的所述端口的撞击表面，由此，被引入到所述底部阳极冷却器内并穿过所述端口喷射的冷却流体射到所述顶部阳极冷却器的所述撞击表面以冷却布置在所述激光器平台上的激光发射器；以及
所述底部阳极冷却器的顶表面包括限定穿过其的多个端口的端口部分，以及包围所述端口部分的平面部分，其中所述平面部分的面积大于所述端口部分的面积，所述端口部分从所述平面部分向上延伸；以及其中
穿过所述端口部分的所述端口为圆柱状。
2.如权利要求1所述的封装，其中所述底部阳极冷却器或所述顶部阳极冷却器中的至少一个的至少一部分包括铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC、氧化铝、莫来石、金刚石或SiC中的至少一个。
3.如权利要求1所述的封装，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案。
4.如权利要求3所述的封装，其中所述图案包括如下至少之一：多个凹坑、多个凹槽或多个立柱。
5.如权利要求1所述的封装，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所述激光器平台的机械稳定性的多个立柱。
6.如权利要求1所述的封装，还包括(i)布置在所述顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器，其中所述阴极冷却器的一部分悬垂且不接触所述顶部阳极冷却器的所述激光器平台。
7.如权利要求1所述的封装，其中所述端口与所述撞击表面间隔开以形成混合通道，且还包括通过所述底部阳极冷却器的(i)用于引导所述冷却流体穿过所述端口并进入所述混合通道的近端内的入口线路，以及(ii)用于引导所述冷却流体从所述混合通道的远端出来的出口线路。
8.如权利要求7所述的封装，其中所述混合通道具有从0.01mm到30mm的范围中选择的高度。
9.如权利要求1所述的封装，其中所述端口的中心至中心的间距选自0.1mm到8mm的范围。
10.如权利要求1所述的封装，其中所述端口中的至少一个的直径选自0.025mm到5mm的范围。
11.如权利要求7所述的封装，其中所述混合通道的高度与所述端口中的至少一个的直径之比选自0.1到30的范围。
12.如权利要求1所述的封装，其中所述顶部阳极冷却器或所述底部阳极冷却器中的至少一个的热膨胀系数选自0.5ppm到12ppm的范围。
13.如权利要求1所述的封装，还包括布置在所述激光器平台上的激光发射器。
14.如权利要求12所述的封装，其中所述激光发射器包括被配置成发射多个光束的激光二极管线阵。
15.一种波长光束组合激光系统，包括：
光束发射器，其发射多个分立光束；
聚焦光学器件，其用于将所述多个分立光束聚焦到色散元件上；
色散元件，其用于接收并色散所接收的聚焦光束；
部分反射输出耦合器，其定位成接收色散光束，通过其透射所述色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将所述色散光束的第二部分反射回到所述色散元件；
底部阳极冷却器，其至少部分地限定穿过其的多个端口，所述多个端口用于形成穿过其的冷却流体的喷射流；以及
顶部阳极冷却器，其布置在所述底部阳极冷却器之上，所述顶部阳极冷却器(i)包括激光器平台，所述激光器平台用于在其上接收所述光束发射器；以及(ii)在其中限定凹部，所述凹部(a)布置在所述激光器平台之下，以及(b)具有面向所述底部阳极冷却器的所述端口的撞击表面，由此，被引入到所述底部阳极冷却器内并穿过所述端口喷射的冷却流体射到所述顶部阳极冷却器的所述撞击表面以冷却布置在所述激光器平台上的所述光束发射器；以及
所述底部阳极冷却器的顶表面包括限定穿过其的多个端口的端口部分，以及包围所述端口部分的平面部分，其中所述平面部分的面积大于所述端口部分的面积，所述端口部分从所述平面部分向上延伸；以及其中
穿过所述端口部分的所述端口为圆柱状。
16.如权利要求15所述的激光系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
17.如权利要求15所述的激光系统，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案。
18.如权利要求17所述的激光系统，其中所述图案包括如下至少之一：多个凹坑、多个凹槽或多个立柱。
19.如权利要求15所述的激光系统，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所述激光器平台的机械稳定性的多个立柱。
20.如权利要求15所述的激光系统，还包括(i)布置在所述顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器，所述阴极冷却器的一部分悬垂且不接触所述顶部阳极冷却器的所述激光器平台。
21.一种激光器封装，包括：
阳极冷却器；
激光器平台，在其上用于接收激光发射器；以及
在所述阳极冷却器和所述激光器平台之间的混合通道，所述混合通道包括与所述激光器平台热接触的撞击表面和跨越所述混合通道与所述撞击表面相对的喷射阵列，所述喷射阵列包括多个端口，所述多个端口用于形成穿过其的冷却流体的喷射流，由此，被引入到所述阳极冷却器内并穿过所述端口喷射的冷却流体射到所述撞击表面以冷却布置在所述激光器平台上的激光发射器；以及
其中所述阳极冷却器在其横截面上具有包围所述喷射阵列的平面部分，所述平面部分的面积大于所述喷射阵列的面积，所述端口部分从所述平面部分向上延伸；以及其中
穿过所述端口部分的所述端口为圆柱状。
22.如权利要求21所述的封装，其中所述阳极冷却器的至少一部分包括铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC、氧化铝、莫来石、金刚石、SiC中的至少一个。
23.如权利要求21所述的封装，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所述喷射流的冷却效果的图案。
24.如权利要求23所述的封装，其中所述图案包括如下至少之一：多个凹坑、多个凹槽或多个立柱。
25.如权利要求21所述的封装，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所述激光器平台的机械稳定性的多个立柱。
26.如权利要求21所述的封装，还包括(i)布置在所述阳极冷却器之上的阴极冷却器，所述阴极冷却器的一部分悬垂且不接触所述阳极冷却器的所述激光器平台。
27.如权利要求21所述的封装，其中所述混合通道具有从0.01mm到30mm的范围中选择的高度。
28.如权利要求21所述的封装，其中所述端口的中心至中心的间距选自0.1mm到8mm的范围。
29.如权利要求21所述的封装，其中所述端口中的至少一个的直径选自0.025mm到5mm的范围。
30.如权利要求21所述的封装，其中所述混合通道的高度与所述端口中至少一个的直径之比选自0.1到30的范围。
31.如权利要求21所述的封装，其中所述阳极冷却器的热膨胀系数选自0.5ppm到12ppm的范围。
32.如权利要求21所述的封装，还包括布置在所述激光器平台上的激光发射器。
33.如权利要求32所述的封装，其中所述激光发射器包括被配置成发射多个光束的激光二极管线阵。
34.一种波长光束组合激光系统，包括：
光束发射器，其发射多个分立光束；
聚焦光学器件，其用于将所述多个分立光束聚焦到色散元件上；
色散元件，其用于接收并色散所接收的聚焦光束；
部分反射输出耦合器，其定位成接收色散光束，通过其透射所述色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将所述色散光束的第二部分反射回到所述色散元件；
阳极冷却器；
激光器平台，在其上用于接收所述光束发射器；以及
在所述阳极冷却器和所述激光器平台之间的混合通道，所述混合通道包括与所述激光器平台热接触的撞击表面和跨越所述混合通道与所述撞击表面相对的喷射阵列，所述喷射阵列包括多个端口，所述多个端口用于形成穿过其的冷却流体的喷射流，由此，被引入到所述阳极冷却器内并穿过所述端口喷射的冷却流体射到所述撞击表面以冷却布置在所述激光器平台上的所述光束发射器；以及
其中所述阳极冷却器在其横截面上具有包围所述喷射阵列的平面部分，其中所述平面部分的面积大于所述喷射阵列的面积，所述端口部分从所述平面部分向上延伸；以及其中
穿过所述端口部分的所述端口为圆柱状。
35.如权利要求34所述的激光系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
36.如权利要求34所述的激光系统，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所喷射的冷却流体的冷却效果的图案。
37.如权利要求36所述的激光系统，其中所述图案包括如下至少之一：多个凹坑、多个凹槽或多个立柱。
38.如权利要求34所述的激光系统，其中所述撞击表面的至少一部分限定用于增强所述激光器平台的机械稳定性的多个立柱。
39.如权利要求34所述的激光系统，还包括(i)布置在所述阳极冷却器之上的阴极冷却器，其中所述阴极冷却器的一部分悬垂且不接触所述激光器平台。
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