CN112234430A - 半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体激光器，涉及激光设备的技术领域。本申请的半导体激光器包括冷却外箱和发光件，冷却外箱具有内腔以及与内腔相通的进口和出口；发光件设于内腔内，发光件上设有至少一个贯穿发光件的冷却通道，冷却通道的两端均与内腔相通。本申请能够通过在发光件外设冷却外箱，在发光件上直接开设冷却通道，提高发光件的散热能力，从而既能提高半导体激光器的功率，又能提高半导体激光器的稳定性和长期可靠性。

Description

半导体激光器

技术领域

本申请涉及激光设备的技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光器。

背景技术

激光器是能发射激光的装置，其中，半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，它体积小、寿命长，实用且应用最为广泛。

激光器发展的重点方向是要提高半导体激光器的功率，提高半导体激光器的功率一般可以从两个方面入手，第一，可以直接提高芯片的性能，来提高半导体激光器的功率，第二，可以在半导体激光器封装过程中减少热阻，提高散热能力，来提高半导体激光器的功率。因此在芯片性能相同的情况下，如何提高热沉的散热能力极为关键。

发明内容

本申请的目的是提供一种半导体激光器，其能够通过在发光件外设冷却外箱，在发光件上直接开设冷却通道，提高发光件的散热能力。

为了实现上述目的，本申请的实施例是这样实现的：

一种半导体激光器包括：冷却外箱和发光件，所述冷却外箱具有内腔以及与所述内腔相通的进口和出口；所述发光件设于所述冷却外箱，所述发光件上设有至少一个贯穿所述发光件的冷却通道，所述冷却通道的两端均与所述内腔相通。

于一实施例中，所述发光件包括：热沉阵列、芯片阵列和至少两个引出电极，所述热沉阵列包括多个芯片热沉，多个所述芯片热沉沿第一方向成线性阵列分布；所述芯片阵列包括多个激光芯片，多个所述激光芯片沿所述第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的所述芯片热沉之间；多个所述引出电极分别设于所述热沉阵列沿所述第一方向的两端。

于一实施例中，所述冷却外箱在相对的两个面上分别开设有用于固定所述发光件的第一安装孔和第二安装孔；其中，所述引出电极的两端分别穿过所述第一安装孔和所述第二安装孔外露于所述冷却外箱；所述热沉阵列穿过所述第二安装孔外露于所述冷却外箱，且所述芯片阵列设于所述冷却外箱外。

于一实施例中，所述冷却通道设有多个；多个所述冷却通道均为直孔通道，所述直孔通道沿所述第一方向贯穿所述热沉阵列和所述引出电极。

于一实施例中，各个所述激光芯片小于各个所述芯片热沉，所述发光件还包括：绝缘板阵列，所述绝缘板阵列包括多个绝缘板，多个所述绝缘板沿所述第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的所述芯片热沉之间；其中，各个所述绝缘板与相应的所述激光芯片之间留有间隔。

于一实施例中，所述冷却通道设有多个；多个所述冷却通道包括至少一个直孔通道和至少一个错孔通道；所述直孔通道沿所述第一方向贯穿所述热沉阵列、所述绝缘板阵列和所述引出电极；所述错孔通道包括设于所述引出电极上的第一引流孔，设于所述绝缘板上的第二引流孔和设于所述芯片热沉上的第三引流孔；其中，相邻两个所述芯片热沉的第三引流孔沿所述第二引流孔的长度方向为错开设置。

于一实施例中，所述冷却外箱在相对的两个面上分别连接有第一密封透盖和第二密封透盖；所述第一密封透盖设于所述引出电极，所述第二密封透盖设于所述热沉阵列。

于一实施例中，所述冷却外箱包括相互连接的箱体和盖板，所述第二安装孔设于所述盖板上，所述第一安装孔设于所述箱体上。

于一实施例中，所述内腔沿所述第一方向的长度大于所述发光件的长度，所述内腔在所述发光件沿所述第一方向的两端留有间隙，形成缓冲空间。

于一实施例中，所述进口的轴线和所述出口的轴线位于同一直线上，且所述进口的轴线与所述第一方向为同向设置。

于一实施例中，所述进口上连接有进管，所述出口上连接有出管。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请能够通过在发光件外设冷却外箱，在发光件上直接开设冷却通道且直接采用冷却介质冷却，并采用平行制冷冲刷式水通道，激光芯片与正负极的芯片热沉直接接触，提高发光件的散热能力，结构采用集成化箱体式结构设置，使其体积小，结构简单且输出的光功率密度可达到几十万千瓦，从而既能提高半导体激光器的功率，又能提高半导体激光器的稳定性和长期可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的半导体激光器的结构示意图。

图2为本申请一实施例示出的半导体激光器的爆炸示意图。

图3为本申请一实施例示出的半导体激光器的正视图。

图4为本申请图3的E部放大图。

图5为本申请一实施例示出的半导体激光器的俯视图。

图6为本申请图5的A－A方向剖视图。

图7为本申请图5的B－B方向剖视图。

图8为本申请一实施例示出的发光件的爆炸示意图。

图9为本申请一实施例示出的发光件的爆炸示意图。

图10为本申请一实施例示出的半导体激光器的右视图。

图11为本申请一实施例示出的半导体激光器的左视图。

其中，图7中的实心箭头表示冷却介质的流向。

图标：100－半导体激光器；200－冷却外箱；210－内腔；211－缓冲空间； 220－进口；221－进管；230－出口；231－出管；240－箱体；241－第一安装孔； 242－第一密封透盖；250－盖板；251－第二安装孔；252－第二密封透盖；300－发光件；310－热沉阵列；311－芯片热沉；312－凸台；313－散热空隙；320－芯片阵列；321－激光芯片；330－引出电极；340－绝缘板阵列；341－绝缘板； 400－冷却通道；410－错孔通道；411－第一引流孔；412－第二引流孔；413－第三引流孔；420－直孔通道；421－第四引流孔；422－第五引流孔；423－第六引流孔。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的结构示意图。一种半导体激光器100包括冷却外箱200和发光件300，冷却外箱200 具有内腔210(请参照图2)以及与内腔210相通的进口220和出口230；进口220上通过螺栓连接等方式能拆卸地连接有进管221，出口230上通过螺栓连接等方式能拆卸地连接有出管231。

发光件300设于冷却外箱200，且发光件300的整体或者部分设于内腔210内。发光件300上设有至少一个贯穿发光件300的冷却通道400(请参照图2)，冷却通道400的两端均与内腔210相通。其中，冷却通道400可以沿直线或者沿曲线贯穿发光件300。于一实施例中，冷却通道400可以采用平行制冷冲刷式水通道。

于一操作过程中，将冷却液或者冷却气体等冷却介质，通过进管221 和进口220通入内腔210内，通入内腔210的冷却介质经过发光件300上的冷却通道400穿过发光件300，从而通过冷却介质直接对发光件300散热，通过冷却通道400的冷却介质最后从出管231和出口230从冷却外箱200 流出。

故本实施例能够通过在发光件300外设冷却外箱200的箱式结构，在发光件300上直接开设冷却通道400，直接采用冷却液或者冷却气体等冷却介质进行冷却，冷却介质与发光件300直接接触，提高发光件300的散热能力，从而既能提高半导体激光器100的功率，又能提高半导体激光器100 的稳定性和长期可靠性。且本实施例结构简单独特，集成化之后不仅体积小，而输出的光功率密度可达到几十万千瓦。

进口220的轴线和出口230的轴线位于同一直线上，且进口220位于出口230的上方，将进口220的轴线作为第一方向，表示上下，以Z方向进行表示，将发光件300的长度方向作为第二方向，表示左右，以X方向表示，将发光件300的宽度方向作为第三方向，表示前后，以Y方向表示，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的爆炸示意图。发光件300包括热沉阵列310、芯片阵列320和至少两个引出电极330，热沉阵列310包括多个芯片热沉311，多个芯片热沉311沿第一方向成线性阵列分布；芯片阵列320包括多个激光芯片321，多个激光芯片321沿第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的芯片热沉311之间；多个引出电极330分别设于热沉阵列310沿第一方向的两端(沿Z方向的上下两端)。

冷却外箱200在相对的两个面(沿X方向的左右两侧面)上分别开设有第一安装孔241和第二安装孔251；发光件300通过第一安装孔241和第二安装孔251固定在冷却外箱200上。其中，发光件300部分设于内腔210 内，部分外露于冷却外箱200。引出电极330的两端分别穿过第一安装孔 241和第二安装孔251外露于冷却外箱200；热沉阵列310穿过第二安装孔 251外露于冷却外箱200，且芯片阵列320设于冷却外箱200外。本实施例中，为利于安装发光件300，冷却外箱200包括通过螺栓连接、焊接等方式相互连接的箱体240和盖板250，第二安装孔251设于盖板250上，第一安装孔241设于箱体240上。

发光件300还包括绝缘板阵列340，绝缘板阵列340包括多个绝缘板 341，多个绝缘板341沿第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的芯片热沉311之间。由于本实施例中，各个激光芯片321的尺寸小于各个芯片热沉311的尺寸，激光芯片321沿Y方向的宽度小于芯片热沉311沿Y 方向的最小宽度，激光芯片321沿X方向的长度小于芯片热沉311沿X方向的长度，则本实施例在两个相邻的芯片热沉311之间增设绝缘板341，从而能够起到支撑作用，提高发光件300的结构稳固性。

其中，各个绝缘板341与相应的激光芯片321之间留有间隔。芯片阵列320和绝缘板阵列340分别位于热沉阵列310沿X方向的左右两端，避免芯片阵列320与绝缘板阵列340之间的相互影响。本实施例中，设于冷却外箱200外的芯片热沉311部分沿X方向的截面为梯形结构。

冷却外箱200沿X方向的左右两侧面上分别通过螺栓连接等方式连接有第一密封透盖242和第二密封透盖252；第一密封透盖242设于引出电极 330上，且与所述箱体240相邻设置，第二密封透盖252设于热沉阵列310 上，且与所述盖板250相邻设置。第一密封透盖242和第二密封透盖252 用于密封，以防止冷却液或冷却气体等冷却介质外流，其中，为提升密封效果，第一密封透盖242与冷却外箱200之间以及第二密封透盖252与冷却外箱200之间可以设有橡胶密封圈等密封件。

其中，芯片热沉311可以是由金属、陶瓷等材料制成的。绝缘板341 可以是由FPC(玻璃纤维)等材料制成的。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的正视图。请参照图4，其为本申请图3的E部放大图。由于各个激光芯片321的尺寸小于各个芯片热沉311的尺寸，以及各个绝缘板341(请参照图2)与相应的激光芯片321之间留有间隔，在相邻两个芯片热沉311之间可以形成一个散热空隙313。且由于芯片阵列320设于冷却外箱200外，该散热空隙313 也部分设于冷却外箱200外，从而可以供外部空气通过，提高热沉的散热效果。

本实施例中，为增大散热空隙313的大小，以及更好地固定激光芯片321，在芯片热沉311的下表面上凸设有一与激光芯片321相配的凸台312。凸台312的沿Y方向的截面尺寸与激光芯片321沿Y方向的截面尺寸相等。

其中，绝缘板341沿Z方向的厚度与激光芯片321沿Z方向的厚度可以相等或者不等，即在芯片热沉311的下表面上可以凸设有也可以不凸设有一与绝缘板341相配的凸起，本实施例中，在芯片热沉311的下表面上没有设置一与绝缘板341相配的凸起，使得绝缘板341的厚度大于激光芯片321的厚度，从而可以节省制造成本。

请参照图5，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的俯视图。请参照图6，其为本申请图5的A－A方向剖视图。内腔210沿第一方向的长度大于发光件300的长度，内腔210在发光件300沿第一方向的两端留有间隙，形成缓冲空间211。

缓冲空间211的设置，可以降低冷却液或冷却气体等冷却介质的流速，以使冷却介质均能通过冷却通道400对发光件300进行降温，并且能延长降温的时间。

请参照图7，其为本申请图5的B－B方向剖视图。冷却通道400设有多个；多个冷却通道400包括至少一个直孔通道420和至少一个错孔通道410；直孔通道420沿第一方向(Z方向)贯穿热沉阵列310、绝缘板阵列340和引出电极330；错孔通道410沿Z方向的截面为曲线型或者折线型。

本实施例中，冷却通道400包括直孔通道420和错孔通道410，其中，冷却介质在直孔通道420内流通路径较短，流速较快，冷却介质在错孔通道410内流通路径较长，流速较慢，流通时间较长，从而使得发光件300 的降温效果较好。

请参照图8，其为本申请一实施例示出的发光件300的爆炸示意图。错孔通道410包括设于引出电极330上的第一引流孔411，设于绝缘板341上的第二引流孔412和设于芯片热沉311上的第三引流孔413；其中，相邻两个芯片热沉311的第三引流孔413沿第二引流孔412的长度方向为错开设置。本实施例中，第二引流孔412的长度方向为沿X方向设置，于一其他的实施例中，第二引流孔412的长度方向可以是Y方向设置，也可以是倾斜的。

本实施例中，引出电极330上的第一引流孔411为4个条形孔，绝缘板341上的第二引流孔412为4个异形孔，芯片热沉311上的第三引流孔 413为4个条形孔。

本实施例中，相邻两个芯片热沉311中，位于上方的芯片热沉311中，左边的两个第三引流孔413为靠右设置，右边的两个第三引流孔413为靠左设置；位于下方的芯片热沉311中，左边的两个第三引流孔413为靠左设置，右边的两个第三引流孔413为靠右设置。

本实施例中，第二引流孔412为长度较长的异形孔，且相邻两个绝缘板341中，位于上方的绝缘板341中，左边的两个第二引流孔412为左端较大而右端较小，右边的两个第二引流孔412为左端较小而右端较大；位于下方的绝缘板341中，左边的两个第二引流孔412为左端较小而右端较大，右边的两个第二引流孔412为左端较大而右端较小。

于一操作过程中，当冷却介质经过错孔通道410时，经过位于上方的引出电极330上的第一引流孔411后到达第一个芯片热沉311，由于相邻两个芯片热沉311的第三引流孔413沿第二引流孔412的长度方向错开，则当冷却介质经过第一个芯片热沉311的第三引流孔413和一个绝缘板341 上的第二引流孔412后，必然为直接流至下一芯片热沉311的表面，再经过第二个芯片热沉311的第三引流孔413继续流通，从而可以增大冷却介质与芯片热沉311的接触面积，延长冷却介质与芯片热沉311的接触时间，提高半导体激光器100的冷却效果。

直孔通道420包括设于引出电极330上的第四引流孔421、设于绝缘板 341上的第五引流孔422和设于芯片热沉311上的第六引流孔423。本实施例中，引出电极330上的第四引流孔421为5个圆形台阶孔，芯片热沉311 上的第六引流孔423为5个圆柱孔，绝缘板341上的第五引流孔422为4 个圆柱孔。其中一个第六引流孔423是设于散热空隙313(请参照图4)处。

第一引流孔411、第二引流孔412、第三引流孔413、第四引流孔421、第五引流孔422和第六引流孔423可以是圆通孔、方通孔或者其他异形孔。

请参照图9，其为本申请一实施例示出的发光件300的爆炸示意图。本实施例中，发光件300不设有绝缘板341，冷却通道400设有多个；多个冷却通道400均为直孔通道420，直孔通道420沿第一方向贯穿热沉阵列310 和引出电极330。直孔通道420包括设于引出电极330上的第四引流孔421 和设于芯片热沉311上的第六引流孔423。本实施例中，引出电极330上的第四引流孔421设有9个，芯片热沉311上的第六引流孔423设有9个。

第六引流孔423和第四引流孔421可以是圆通孔、方通孔或者其他异形孔。

请参照图10，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的右视图。引出电极330设有两个，且两个引出电极330相互平行，两个引出电极330 的大小，尺寸相同。位于上方的引出电极330为负极，位于下方的引出电极330为正极。

第一密封透盖242沿Z方向的截面面积小于冷却外箱200的沿Z方向的截面面积。第一密封透盖242可以通过7个螺栓与冷却外箱200的箱体 240连接。

请参照图11，其为本申请一实施例示出的半导体激光器100的左视图。第二密封透盖252沿Z方向的截面面积小于冷却外箱200的沿Z方向的截面面积。第二密封透盖252可以通过4个螺栓与冷却外箱200的盖板250 连接。盖板250可以通过4个螺栓与箱体240(请参照图10)连接。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：

冷却外箱，具有内腔以及与所述内腔相通的进口和出口；以及

发光件，设于所述冷却外箱，所述发光件上设有至少一个贯穿所述发光件的冷却通道，所述冷却通道的两端均与所述内腔相通。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述发光件包括：

热沉阵列，包括多个芯片热沉，多个所述芯片热沉沿第一方向成线性阵列分布；

芯片阵列，包括多个激光芯片，多个所述激光芯片沿所述第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的所述芯片热沉之间；以及

至少两个引出电极，分别设于所述热沉阵列沿所述第一方向的两端。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述冷却外箱在相对的两个面上分别开设有用于固定所述发光件的第一安装孔和第二安装孔；

其中，所述引出电极的两端分别穿过所述第一安装孔和所述第二安装孔外露于所述冷却外箱；

所述热沉阵列穿过所述第二安装孔外露于所述冷却外箱，且所述芯片阵列设于所述冷却外箱外。

4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述冷却通道设有多个；

多个所述冷却通道均为直孔通道，所述直孔通道沿所述第一方向贯穿所述热沉阵列和所述引出电极。

5.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，各个所述激光芯片小于各个所述芯片热沉，所述发光件还包括：

绝缘板阵列，包括多个绝缘板，多个所述绝缘板沿所述第一方向成线性阵列分布，并夹设于两个相邻的所述芯片热沉之间；

其中，各个所述绝缘板与相应的所述激光芯片之间留有间隔。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述冷却通道设有多个；

多个所述冷却通道包括至少一个直孔通道和至少一个错孔通道；

所述直孔通道沿所述第一方向贯穿所述热沉阵列、所述绝缘板阵列和所述引出电极；

所述错孔通道包括设于所述引出电极上的第一引流孔，设于所述绝缘板上的第二引流孔和设于所述芯片热沉上的第三引流孔；

其中，相邻两个所述芯片热沉的第三引流孔沿所述第二引流孔的长度方向为错开设置。

7.根据权利要求3至6任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述冷却外箱在相对的两个面上分别连接有第一密封透盖和第二密封透盖；

所述第一密封透盖设于所述引出电极，所述第二密封透盖设于所述热沉阵列。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述内腔沿所述第一方向的长度大于所述发光件的长度，

所述内腔在所述发光件沿所述第一方向的两端留有间隙，形成缓冲空间。

9.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述进口的轴线和所述出口的轴线位于同一直线上，且所述进口的轴线与所述第一方向为同向设置。

10.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述进口上连接有进管，所述出口上连接有出管。

Images