CN112840514B - 用于解决高功率激光系统中热界面材料泵送的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，激光装置的特征在于用于将激光器封装附接至冷却板的装置，例如紧固件，其允许激光器封装响应于由其内的光束发射器工作所产生的热循环的运动。本发明的实施例另外或替代地包括特征在于分段的阻隔层的激光装置，所述分段的阻隔层用于将激光器封装与冷却板电绝缘。

Description

用于解决高功率激光系统中热界面材料泵送的系统和方法
相关申请
本申请要求2018年10月15日提交的美国临时专利申请No.62/745,622的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及包含用于热管理的界面材料的激光系统，以及用于最小化或降低其泵送的装置和技术。
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。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)或其他传播介质(例如自由空间)中，所述光学系统将激光聚焦到待加工的工件上。在许多这种情况下，来自多个激光二极管发射器或发射器阵列(例如，激光条或二极管条)的激光发射被组合以形成实现这种应用的高功率激光束。尽管已经开发出各种专有技术来产生具有不同程度光束质量的高功率激光束，但是在这种激光系统中的普遍挑战是有效的冷却和散热。当前，单个二极管条提供高达300W的功率并在0.5cm2的面积内散发大量热量，这是很正常的。为了转移大量的热量，激光系统通常利用由导热金属或其他材料制成的散热器将热量从激光发射器本身吸收走，并最终释放至安装激光器的激光器外壳中的冷却水。
激光系统制造中的关键挑战之一是激光器封装和外壳之间的界面结构，该界面结构可能是液冷的。例如，在发热激光器封装和外壳之间的热界面中的缺陷会损害传热效率。例如，空隙或表面特征(例如未填充的表面粗糙度)可能会减小激光器封装与外壳之间的接触面积。尽管已经开发出导热胶(thermal compound)和诸如铟箔之类的软金属来解决其中的一些问题，但是许多此类胶在热循环下易受磨损和/或蠕变，使它们随着时间的流逝而效率降低和/或全部或部分从界面去除。因此，需要解决这些问题的热管理技术方案。
发明内容
根据本发明的实施例，将包含一个或多个光束发射器例如激光二极管(例如，单个激光二极管、激光二极管条或其阵列)的激光装置封装在导热封装中并附接至冷却板，这可以提供额外的被动或主动冷却。在各种实施例中，冷却板还用作用于多个这种封装的激光装置的公共平台，多个这种封装的激光装置的其中两个或更多个可以彼此电连接(例如，串联或并联)。激光装置在封装和冷却板之间包含一层或多层热界面材料，以改善热接触和与光束发射器的热传导(例如，在操作期间)。在各种实施例中，该装置还包括在封装和冷却板之间的电绝缘阻隔层(barrier)，以便防止通过冷却板在该装置与可以安装在冷却板上的其他装置之间导电，所述其他装置可以包括但不限于其他激光装置和其他光学、电子或光电装置，例如控制器、执行器、电动机、传感器等。
在各种实施例中，热界面材料是共形的(conformal)(例如，胶状的、半固态的、液态的等)材料，因此易于产生热泵送效应(即，由热循环产生的热界面结构的机械磨损和/或运动)。例如，在系统运行期间，光束发射器可以反复地循环打开和关闭，产生热循环，引起施加到热界面材料的循环力。该循环力可能导致将热界面材料泵出封装和冷却板之间的界面，从而降低热界面材料的热管理功效，并在某些情况下导致热致系统(例如，光束发射器的系统)故障。封装、阻隔材料和/或冷却板的热膨胀系数(CTE)不匹配会加剧热界面材料的泵送。CTE不匹配可能会导致在热循环过程中剪切应力施加至热界面材料，有害地增加了热界面材料离开界面的泵送。
在本发明的各种实施例中，可以在封装和冷却板之间设置电绝缘阻隔层，以防止它们之间导电；然而，为了使热量从封装到冷却板的流动最大化，希望电绝缘阻隔层是导热的。在各种实施例中，陶瓷(例如，氮化铝、砷化硼和/或氧化铍)、非导电石墨、或金刚石层或材料、或这些中的两种或更多种、或这些中的一种或多种与一种或多种其他材料(可以是导电的)的组合可以用作电绝缘阻隔层。例如，阻隔层可以是多层结构，并且其中的一层或多层可以包括上述材料中的一种或多种，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，其他层中的一个或多个可以包括诸如金属的导电层，基本上由其组成，或由其组成，只要一个或多个其他层为电绝缘的即可。
根据本发明的实施例的激光系统以两种不同方式中的至少一种降低、最小化或基本上消除热界面材料的热泵送和/或由此引起的故障。首先，根据本发明的实施例的系统包含一个或多个机构，维持封装和冷却板之间的热(和/或机械)连接，同时允许热引起的膨胀和收缩，以减小或基本上消除热界面材料承受的泵送力。例如，在各种实施例中，封装通过配备有弹簧的紧固件(例如螺钉)而机械地耦合至冷却板(之间具有热界面材料)，配备有弹簧的紧固件允许封装在热循环期间远离冷却板移动。紧固件和弹簧提供足够的耦合力，以在未受热(或“冷”)的状态(例如，安装、停机等)期间压缩热界面材料，从而最大程度地发挥热界面材料作为热导体将热带离封装的功效，同时还减小或最小化由于封装(和/或其他系统组件)的热膨胀和收缩引起的力变化。尽管本文详述的示例性实施例利用一个或多个螺钉作为紧固件，但是也可以利用其他类型的紧固件，例如，螺栓、铆钉、锚、杆、插入件等。在本文中，“螺钉”是指沿其长度的至少一部分带螺纹或其他图案的任何细长紧固件(例如，带螺纹的螺栓)，且螺钉的远端可以是平的或尖的；螺纹或其他图案可以设计成与螺钉所紧固的对象上的互补螺纹接合和/或互锁。
替代地或另外，本发明的实施例包含电绝缘阻隔层，其被分成多个离散的部分，使得由于例如在阻隔层和激光器封装(和/或其一个或多个组件，包括光束发射器)之间的CTE不匹配而引起的热界面材料的热泵送减小或最小化。即，电绝缘阻隔层可以不覆盖整个界面，因为空的间隙将存在于材料的各个部分之间，并且电绝缘阻隔层将覆盖小于界面的100％。在各种实施例中，与多层分段电绝缘阻隔层(例如，覆盖整个界面)相反，离散的区域部分仅构成提供界面的不完整区域覆盖的单层。
在各种实施例中，电绝缘阻隔层可被划分成在运行期间经受较高温度(即，更多的热量)的靠近封装的位置的较小部分，以便减少在那些区域中经受的热致应力的量。例如，在根据本发明的实施例的各种激光器装置中，封装的直接在光束发射器(例如，激光二极管或二极管条)下方的区域可以比周围或其他区域局部地经受更多的热量。因此，在本发明的各种实施例中，电绝缘阻隔层和/或其上的热界面材料经受减小的热致应力。在各种实施例中，封装和/或冷却板的面向划分的电绝缘阻隔层的表面名义上是平坦的，即，没有可能影响电绝缘阻隔层的配置的突起或凹陷(例如，沟槽)。尽管本发明的实施例的特征在于划分的电绝缘阻隔层，但是这样的层足以(例如，具有足够的厚度)防止激光器装置(或封装的导电部分)与下面的冷却板之间的电接触。
在各种实施例中，热界面材料是胶状材料或膏体，例如，导热油脂或导热凝胶。热界面材料可以包括例如导热焊料、箔、膏，或凝胶材料，例如铟(例如，铟膏或焊料)或银膏，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。热界面材料甚至可以包括液态材料，例如在2018年3月28日提交的美国临时专利申请No.62/649,145中所公开的液态材料，基本上由其组成，或由其组成，其全部公开内容通过引用合并于此。
在各种实施例中，热界面材料包括热油脂，例如硅酮基非固化油脂，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，热界面材料包括相变材料，即，当其温度达到相变(例如，融化)温度时，该材料至少部分地从固态转变为液态或凝胶态，反之亦然，基本上由其组成，或由其组成。相变材料的示例包括可从莱尔德科技(Laird Technologies)获得的Tmate和Tpcm系列材料。在各种实施例中，相变材料包括其内分散有颗粒的载体(例如，诸如石蜡等蜡)，基本上由其组成，或由其组成。示例性颗粒包括陶瓷颗粒，例如氮化硼颗粒。示例性相变材料还可以包括一个或多个薄金属层(例如，箔)作为增强层。在室温下，相变材料可以具有片或垫的形式，或者可以具有膜或膏的形式。示例性的相变材料在室温下为固态的，并且其相变温度低于激光器装置的工作温度(或全部或部分激光器装置经受的热循环期间达到的温度，或低于当装置在工作温度下工作时，激光封装的全部或一部分的温度)。
在各种实施例中，热界面材料没有颗粒、柱、丝、网或其他固态特征或元素。在各种实施例中，热界面材料的热导率为在“z”方向上至少1瓦每米每开尔文(W·m-1·K-1)，至少5W·m-1·K-1，至少10W·m-1·K-1，至少15W·m-1·K-1，或者甚至至少20W·m-1·K-1，所述“z”方向即(通常垂直或横向)从冷却板延伸至激光器封装的方向，反之亦然。热界面材料的热导率可以小于约300W·m-1·K-1，小于约250W·m-1·K-1，小于约200W·m-1·K-1，小于约150W·m-1·K-1，小于约100W·m-1·K-1或甚至小于约50W·m-1·K-1。在各种实施例中，热界面材料层设置在激光器封装与电绝缘阻隔层之间和/或电绝缘阻隔层与冷却板之间。
在本发明的各种实施例中，冷却板可以包括例如铜、铝和/或一种或多种其他金属和/或导热材料，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板的热导率可以高于热界面材料的热导率。冷却板可以包含其内的一个或多个中空通道，诸如水之类的液体冷却剂可以通过该中空通道流动以促进热量流出激光器封装。封装的光束发射器因此可以经由包括热界面材料的热界面系统热耦合至冷却板并且用于高功率激光系统(例如，波长光束组合(WBC)激光系统和/或将输入光束耦合到光纤中的激光系统)中。
如本文所使用，具有高热导率的材料，或“高导热性材料”，例如可以用于冷却板或其它散热器的那些，热导率为至少100W·m-1·K-1，至少170W·m-1·K-1，至少200W·m-1·K-1，至少250W·m-1·K-1，或者甚至至少300W·m-1·K-1。如本文所使用，具有高电导率的材料，或“导电材料”，其电导率例如在20℃时为至少1×105西门子/米(S/m)，至少1×106S/m，或者甚至至少1×107S/m。如本文所使用，具有高电阻率的材料，或“电绝缘材料”，其电阻率为至少1×108欧姆·米(Ω·m)，至少1×1010Ω·m，或者甚至至少1×1012Ω·m。
根据本发明的实施例的激光装置可以用在WBC系统中，以形成高亮度、低光束参数乘积(BP P)激光系统。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度，通常以毫米毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束与理想高斯光束在相同波长下的BPP之比表示为M2，或者“光束质量因子”，它是与波长无关的光束质量的度量，具有“最佳”质量对应于“最低”光束质量因子1。
WBC是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光器的输出功率和亮度的技术。根据本发明的实施例封装的光束发射器可以用在WBC系统中。已经开发出沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在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，每个专利的全部公开内容通过引用并入本文。
本发明的实施例将一个或多个输入激光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个芯的多个包覆层、在单个包覆层内的多个离散芯区域(或“多个芯”)或被多个包覆层围绕的多个芯。
这里，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。这里，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、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，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括多个光束发射器或基本上由多个光束发射器组成，例如配置为发射多个光束的二极管条。在本文的实施例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，这里对“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，还包括二极管条、激光器阵列、二极管条阵列以及单个或阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
激光二极管，诸如在以下一般描述中描述的激光二极管，可以与在此描述的创新的实施例相关联地使用。激光二极管通常基于支持光子(光)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、可调性等，通常对该简单结构进行修改以提供许多实用类型的激光二极管。激光二极管类型包括小型边缘发射变型，其在高光束质量的光束中产生从几毫瓦到大约半瓦的输出功率。二极管激光器的结构类型包括双异质结构激光器，其包括在两个高带隙层之间夹有一层低带隙材料；量子阱激光器，包括非常薄的中间层(量子阱层)，可实现高效率并量子化激光器的能量；多量子阱激光器，包括一个以上的量子阱层，以改善增益特性；量子线或量子海(点)激光器，用线或点代替中间层，以产生更高效率的量子阱激光器；量子级联激光器，能够在相对长的波长上实现激光作用，可以通过改变量子层的厚度来对其进行调谐；分离局限式异质结构激光器，这是最常见的商用激光二极管，在量子阱层的上方和下方还包括另外两层，以有效地限制产生的光；分布式反馈激光器，通常在要求苛刻的光通信应用中使用，并且包括集成的衍射光栅，该光栅通过将单个波长反射回增益区域，有助于在制造期间生成稳定的波长集；垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其结构与其他激光二极管不同，光是从其表面而不是从其边缘发射的；垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)和外腔二极管激光器，它们是可调谐激光器，主要使用双异质结构二极管，并且包括光栅或多棱镜光栅配置。外腔二极管激光器通常是波长可调的，并且表现出小发射谱线宽度。激光二极管类型还包括各种基于高功率二极管的激光器，包括：宽发射域激光器，其特征是具有长椭圆形输出面的多模二极管，且通常具有较差的光束质量，但产生的功率只有几瓦；锥形激光器，其特征在于具有带锥形输出面的像散模式二极管，与宽发射域激光器相比，该锥形激光器具有更高的光束质量和亮度；脊形波导激光器，其特征在于具有椭圆形输出面的椭圆模式二极管；平板耦合光波导激光器(SCO WL)，其特征在于具有输出面的圆形模式二极管，并且可以在具有近似圆形轮廓的衍射受限光束中产生瓦特级输出。
激光二极管阵列、条和/或堆叠可以与在此描述的创新的实施例相关联地使用。激光二极管可以单独地或成组封装，通常以一维行/阵列(二极管条)或二维阵列(二极管条堆叠)的形式封装。二极管阵列堆叠通常为二极管条的垂直堆叠。激光二极管条或阵列通常比等效的单个大面积二极管(broad area diode)具有更高的功率和成本效益。高功率二极管条通常包含大面积发射器阵列，产生光束质量相对较差的数十瓦；尽管功率较高，但亮度通常低于大面积激光二极管。可以堆叠高功率二极管条以产生高功率堆叠二极管条，以产生数百瓦或数千瓦的极高功率。激光二极管阵列可以配置为将光束发射到自由空间或光纤中。光纤耦合二极管激光器阵列可以方便地用作光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。
二极管激光条是一种半导体激光器类型，包含一维阵列的大面积发射器，或者可选地包含子阵列，其包含例如10-20个窄条状发射器。宽发射域二极管条通常包含例如19-49个发射器，每个发射器的尺寸约为例如1μm×100μm。沿1μm尺寸或快轴的光束质量通常受衍射限制。沿100μm尺寸或慢轴或阵列尺寸的光束质量通常受很多倍的衍射限制。通常，用于商业应用的二极管条的激光谐振器长度约为1至4毫米，约10毫米宽，并产生数十瓦的输出功率。大多数二极管条工作在780至1070nm的波长范围内，波长为808nm(对于泵浦钕激光器)和940nm(对于泵浦Yb：YA G)是最突出的。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。
一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、第一热界面材料、第二热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的装置，其中阻隔层与第一和第二热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。第一热界面材料设置在激光器封装和阻隔层之间。第二热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。可以降低第一热界面材料和第二热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。附接装置可以包括弹性构件和紧固件，基本上由其组成，或由其组成，所述紧固件将激光器封装附接至冷却板并压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。电绝缘阻隔层可以包括之间具有间隙的多个离散的部分，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘阻隔层可以包括在激光器封装和冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括相同的材料，基本上由相同的材料组成，或由相同的材料组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括不同的材料，基本上由不同的材料组成，或由不同的材料组成。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的装置，其中阻隔层与热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。将热界面材料设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间。可以降低热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。热界面材料可以设置在激光器封装和阻隔层之间。热界面材料可以设置在阻隔层和冷却板之间。附接装置可以包括弹性构件和紧固件，基本上由其组成，或由其组成，所述紧固件将激光器封装附接至冷却板并压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。电绝缘阻隔层可以包括之间具有间隙的多个离散的部分，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘阻隔层可以包括在激光器封装和冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层，基本上由其组成，或由其组成。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、第一热界面材料和第二热界面材料。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。第一热界面材料设置在激光器封装和阻隔层之间。第二热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。电绝缘阻隔层包括之间具有间隙的多个离散的区域部分，基本上由其组成，或由其组成。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括相同的材料，基本上由相同的材料组成，或由相同的材料组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括不同的材料，基本上由不同的材料组成，或由不同的材料组成。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、以及热界面材料。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。将热界面材料设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间。电绝缘阻隔层包括之间具有间隙的多个离散的区域部分，基本上由其组成，或由其组成。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。热界面材料可以设置在激光器封装和阻隔层之间。热界面材料可以设置在阻隔层和冷却板之间。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、第一热界面材料、第二热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，其中阻隔层与第一和第二热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。第一热界面材料设置在激光器封装和阻隔层之间。第二热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。可以降低第一热界面材料和第二热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。紧固件可以包含和/或机械地接合弹性构件。紧固件可以压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。电绝缘阻隔层可以包括之间具有间隙的多个离散的部分，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘阻隔层可以包括在激光器封装和冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括相同的材料，基本上由相同的材料组成，或由相同的材料组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括不同的材料，基本上由不同的材料组成，或由不同的材料组成。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，其中阻隔层与热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。将热界面材料设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间。可以降低热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。热界面材料可以设置在激光器封装和阻隔层之间。热界面材料可以设置在阻隔层和冷却板之间。紧固件可以包含和/或机械地接合弹性构件。紧固件可以压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。电绝缘阻隔层可以包括之间具有间隙的多个离散的部分，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘阻隔层可以包括在激光器封装和冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层，基本上由其组成，或由其组成。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的装置，其中热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。热界面材料设置在激光器封装和冷却板之间。可以降低热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。附接装置可以包括弹性构件和紧固件，基本上由其组成，或由其组成，所述紧固件将激光器封装附接至冷却板并压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、以及用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。电绝缘阻隔层包括之间具有间隙的多个离散的区域部分，基本上由其组成，或由其组成。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、热界面材料，以及用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，其中热界面材料在激光器封装和冷却板之间，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。热界面材料设置在激光器封装和冷却板之间。可以降低热界面材料远离激光器封装和冷却板之间的界面的运动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。紧固件可以包含和/或机械地接合弹性构件。紧固件可以压缩弹性构件。弹性构件可以配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被额外地压缩。所述紧固件可以包括一个或多个螺钉，基本上由其组成，或由其组成。所述弹性构件可以包括至少一个弹簧，基本上由其组成，或由其组成。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种激光装置，其包括光束发射器、激光器封装、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板、用于防止激光器封装和冷却板之间的电传导的电绝缘阻隔层、第一热界面材料和第二热界面材料。激光器封装可以包括设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本上由其组成，或由其组成。激光器封装可以包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器，基本由以上所述组成，或由以上所述组成。冷却板设置在激光器封装下方。阻隔层设置于激光器封装和冷却板之间。第一热界面材料设置在激光器封装和阻隔层之间。第二热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。光束发射器可以包括配置为发射多个离散光束的二极管条，基本上由其组成，或由其组成。顶部激光器冷却器和/或底部激光器冷却器可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成。冷却板可以包括铝，基本上由铝组成，或由铝组成。阻隔层可以包括氮化铝，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括凝胶、焊料、膏或液体，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和/或第二热界面材料可以包括相变材料，基本上由其组成，或由其组成。激光装置可以包括设置在冷却板上方和/或固定至冷却板的第二激光器封装。汇流条可以将激光器封装电连接至第二激光器封装。第二激光器封装可以具有布置在其中的第二光束发射器。电绝缘阻隔层可以包括之间具有间隙的多个离散的部分，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘阻隔层可以包括在激光器封装和冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层，基本上由其组成，或由其组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括相同的材料，基本上由相同的材料组成，或由相同的材料组成。第一热界面材料和第二热界面材料可以包括不同的材料，基本上由不同的材料组成，或由不同的材料组成。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本文所使用的，术语“近似”、“约”和“基本”是指±10％，在一些实施例中为±5％。除非本文另有定义，术语“基本上由……组成”意指排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。例如，“基本上由”一种或多种材料组成的结构可以包括一种或多种材料和非故意的杂质(例如，非故意引入的杂质和/或浓度不足以贡献功能的杂质；此类杂质可以通过化学分析检测到)。在本文中，除非另有说明，术语“辐射”和“光”可互换使用。在本文中，“下游”或“光学上的下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上的上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是在于重点说明本发明的原理。在接下来的说明书中，参考以下附图对本发明的各种实施例进行描述，其中：
图1为根据本发明的各种实施例的示例性激光器封装的透视图；
图2为图1的激光器封装的分解视图；
图3为根据本发明的各种实施例的安装在冷却板上的示例性激光器封装的视图；
图4为根据本发明的各种实施例的安装在冷却板上的示例性激光器封装的示意性截面图；
图5为根据本发明的各种实施例的划分的电绝缘阻隔层的示意性平面图；以及
图6为根据本发明的各种实施例的包含封装的激光器的波长光束组合激光系统的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的实施例使用的示例性激光器封装100。如图所示，在激光器封装100中，光束发射器105夹在底部激光器冷却器110和顶部激光器冷却器115之间。光束发射器105可以包括例如激光二极管、二极管条、激光二极管阵列、二极管条阵列或一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光器冷却器110、115热连接至光束发射器105，并且每个分别电连接至光束发射器105的电极(即，阳极和阴极)中的一个。例如，底部激光器冷却器110可以电连接至光束发射器105的阳极，而顶部激光器冷却器115可以电连接至光束发射器105的阴极，反之亦然。激光器冷却器110、115通常具有高导热性和导电性；因此，在各种实施例中，激光器冷却器110、115包括一种或多种金属，例如铜、银或金，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。电绝缘层和/或材料可以设置在激光器冷却器110、115(或其部分)之间，使得它们之间的唯一电连接是通过光束发射器105本身。
激光器冷却器110、115中的一个或两个可以包括如在2015年3月24日提交的美国专利申请No.14/666,438中所描述的特征和/或材料，其全部公开内容通过引用合并于此。激光器冷却器110、115中的一个或两个和/或激光器封装100可以主动地液体冷却，例如，如在2017年6月20日提交的美国专利申请No.15/627,917中所描述的那样，其全部公开内容通过引用合并于此。
图3示出了本发明的示例性实施例，其中，激光器封装100安装在冷却板300上。如图所示，电绝缘阻隔层310可以设置在激光器封装100和冷却板300之间，并且热界面材料320可以设置在激光器封装100和电绝缘阻隔层310之间。在各种实施例中，附加的热界面材料层可以设置在电绝缘阻隔层310和冷却板300之间。在各种实施例中，热界面材料中的一个或两个可以包括例如金属液体或膏(例如，包括铟、或基本上由铟组成、或由铟组成的液体或膏)和/或导热、电绝缘的固体膜或箔(例如，包括掺有一种或多种填充材料(例如氮化硼)的硅树脂的膜或箔，或基本上由以上所述组成的膜或箔，或由以上所述组成的膜或箔)，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
冷却板300可以包括一种或多种导热材料，例如铜、铝和/或银，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在各种实施例中，冷却板可以包含或限定在其中的凹部和/或通道(图3中未示出)，用于冷却流体(例如，水或乙二醇)流动，以向激光器封装100提供主动冷却。冷却剂源和冷却剂槽可以连接至冷却通道，并且冷却剂储存器和例如热交换器可以流体连接至冷却通道并向其提供冷却剂。这样的冷却系统是常规的，并且可以与本发明的实施例一起使用，而无需过度的试验。冷却板300内的冷却通道可以是简单的导管和/或包括诸如弯头、分支等复杂特征的导管或导管网络。
在各种实施例中，电绝缘阻隔层310可以省略，并且可以仅单层热界面材料320设置在激光器封装100和冷却板300之间。例如，冷却板可以是电阻性的或在其上设置电绝缘层，和/或底部激光器冷却器110可以具有至少在其底表面上设置的电绝缘层，以防止从激光封装100至冷却板300的电传导。
如图3所示，底部激光器冷却器110和顶部激光器冷却器115可以通过一个或多个紧固件330(例如，螺钉)紧固在一起。在各种实施例中，紧固件延伸至在冷却板300中限定的孔中，并且可以螺纹连接以与在冷却板300中的孔中限定的互补螺纹接合。还如图3所示，在将多个激光器封装100附接至共用冷却板300的实施例中，激光器封装100可以通过一个或多个汇流条340相互电连接。例如，如图所示，激光器冷却器110、115可以包含或具有附接其上的导电柱，汇流条340连接至所述导电柱。汇流条340可以包括导电材料，例如，诸如铜等金属，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，汇流条340配置(例如，设置尺寸和形状)为以最小的电阻损耗承载来自激光器封装100的电流。如图3所示，相邻的激光器封装100可以串联地电连接，即，来自一个的顶部激光器冷却器(且因此对应的光束发射器的一个电极)可以连接至来自下一个的底部激光器冷却器(且因此下一个光束发射器的相对电极)。汇流条340也可以用于将激光器封装100连接至其他电子装置和/或电功率源(例如，电流源)。
如图3所示，在本发明的各种实施例中，光束发射器105(设置在底部激光器冷却器110和顶部激光器冷却器115之间，并且在图3中看不到)与快轴准直器(FAC)/光学扭曲(optical twi ster)微透镜组件相关联(例如，附接或以其他方式光学地耦合)，所述快轴准直器/光学扭曲微透镜组件在将光束的快轴和慢轴旋转90°时准直所发射的光束的快轴，以使每个发射的光束的慢轴垂直于微透镜组件下游的WBC尺寸。如图所示，微透镜组件可以包括FAC 350和光学扭曲器(或光学旋转器)360，基本上由其组成，或由其组成，其可以由保持器370机械地支撑。在WBC实施例中，微透镜组件还可以将发射器的主射线从光束发射器105(和/或激光装置中的其他光束发射器)会聚到下游色散元件，以组合成单个多波长光束。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利No.8,553,327和2015年6月8日提交的美国专利No.9,746,679中进行了描述，每个的全部公开内容通过引用结合于此。
图4为根据本发明的实施例的附接到冷却板300的激光器封装100的截面示意图。如图所示，本发明的实施例的特征在于在激光器封装100与电绝缘阻隔层310之间的第一热界面材料320-1，以及在电绝缘阻隔层310与冷却板300之间的第二热界面材料320-2。在各种实施例中，热界面材料320-1、320-2包括相同的材料，基本上由相同的材料组成，或由相同的材料组成，而在其他实施例中，热界面材料320-1、320-2包括不同的材料，基本上由不同的材料组成，或由不同的材料组成。在各种实施例中，电绝缘阻隔层310可以被分成离散的部分，如下文详述。因此，在本发明的实施例中，电绝缘阻隔层310可以不占据激光器封装100和冷却板300之间的界面的整个区域。
如图4所示，弹簧400可以设置在紧固件330的顶部部分(例如，头)和激光器封装100之间，从而使激光器封装100能够在例如与光束发射器105的运行相关联的热循环期间更自由地运动(例如，膨胀和/或收缩)。例如，激光器封装100可以横向地(laterally)或纵向地(即，沿着界面)和/或横断地(transversely)(即，远离(例如，垂直于)界面)运动、膨胀和/或收缩。在各种实施例中，弹簧400可以包括金属(例如不锈钢)、金属合金或耐高温聚合物、含氟聚合物、弹性体或塑料材料，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在各种实施例中，弹簧400可以是导电的或电绝缘的。在各种实施例中，电绝缘阻隔层或阻隔材料可以设置在弹簧400和激光器封装100之间，以防止其之间的导电。例如，垫圈包括电绝缘材料(例如，热塑性材料或聚合材料，例如聚醚酰亚胺)，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成，垫圈可以设置在紧固件330上或周围和/或在弹簧400与激光器封装100之间。
如本文所使用，术语“弹簧”包括可逆地存储机械能的任何弹性实体、构件或物体。示例性的弹簧400包括螺旋弹簧、波形弹簧、碟形弹簧、板簧、贝氏弹簧(即，锥形碟形弹簧)和/或波纹管。弹簧400在如本文所设想的那样被压缩和/或拉伸时可以根据胡克定律操作，并且因此可以以弹簧常数k表征。因此，在各种实施例中，弹簧400配置为当以来自静止长度的压缩量xn压缩时施加名义力Fn＝k×xn(其中，xn在符合胡克定律的变形范围内)。弹簧400从而压缩热界面材料320(例如，如果存在一个或两者，则为热界面材料320-1和/或320-2)，并维持激光器封装100和冷却板300之间的热连接。
另外，在各种实施例中，弹簧400配置(例如，选择弹簧常数k和/或名义压缩量xn)为使得在激光器封装100的典型热循环(即，温度变化)ΔT期间(例如，在运行期间)，由弹簧400施加的力不大于超过力Fn的约100％(即两倍)。也就是说，在各种实施例中，热循环不会导致弹簧400的额外压缩足以将由弹簧400施加的力(即，当未受热时，例如，在室温下时)增加大于约100％。在一些实施例中，由弹簧400施加的力比Fn大不超过约50％，或不超过约10％。由激光器封装100的热膨胀引起的弹簧400的压缩可以为Δx＝CTE×ΔT×xn，其中，CTE表示激光器封装100的CTE。例如，在说明性示例中，与多个贝氏弹簧相对应的弹簧400的名义压缩xn为约200μm，且弹簧常数k为约3.28×106N/m。对于高度为10mm的光束发射器，以及由铜(CTE为约16pp m)制成的激器封装，且对于ΔT为100℃，额外的热压缩对应于Δx＝CTE×ΔT×h＝约16μm。因此，在热循环期间由弹簧400所施加的额外的力为ΔF＝K×Δx＝约52.5N。基于弹簧400的名义压缩，名义力Fn等于k×ΔxN＝约656N。因此，在该说明性示例中，在热循环期间由弹簧400施加的力为ΔF/Fn，或约8％。
因此，在本发明的各种实施例中，将弹簧400与紧固件330结合使用可以减少或基本上消除热泵送以及伴随的热界面材料320从激光器封装100与冷却板300之间的界面的损失。即，热界面材料320从界面的运动或损失降低了(即，相较于未使用弹簧400的紧固件和/或限制或阻止激光器封装100的热致运动的情况)或基本消除了。在各种实施例中，弹簧400与紧固件330分离并且围绕紧固件330布置，而在其他实施例中，弹簧400附接到紧固件330或者甚至为紧固件330的一部分。紧固件330的延伸到冷却板300中部分的全部或部分可以带有螺纹，并且冷却板300中限定的孔可以互补地带有螺纹，用于锚定紧固件330。紧固件330可以包括例如诸如不锈钢等的金属，基本上由其组成，或由其组成。电绝缘涂层或电绝缘层可以设置在紧固件330的外表面上，以便防止激光系统的各种部件之间通过紧固件330的电连接或短路。
除了将弹簧400与紧固件300结合使用之外，或代替将弹簧400与紧固件300结合使用，根据本发明的实施例的激光系统可以包含电绝缘阻隔层310，其被划分为多个离散的区域(或“分区”)以用于降低热泵送效应(由于例如电绝缘阻隔层与光束发射器和/或激光器封装之间的CT E不匹配)。图5为可以对应于图4中的电绝缘阻隔层310的划分的电绝缘阻隔层500的示意性平面图。如图所示，电绝缘阻隔层500可被划分成两个或更多个通过其之间的间隙520分隔的离散部分510。在各种实施例中，在激光系统的热循环期间，每个部分510可以例如响应于CTE不匹配引起的泵送而彼此独立地膨胀。因此，电绝缘阻隔层500的总膨胀或运动可以减小与每单位长度的部分510的数量相对应的因数倍(例如，在图5所示的示例性实施例中为dL/L)。因此，热界面材料320-1和/或热界面材料320-2的热致泵送可以减小大约相同的因数倍。在各种实施例中，部分510可以不等距地间隔开，即，间隙520在宽度上可以变化。此外，部分510的尺寸可以在电绝缘阻隔层500的整个区域上变化。例如，与电绝缘阻隔层500的其他部分相比，设置在激光器封装100的经受较高的最高温度和/或更大的热循环的区域下方的区域可以被划分成较小的部分510。在各种实施例中，在激光器封装100的经受较高的最高温度和/或更大的热循环(例如，直接在光束发射器下方)的区域下方与在电绝缘阻隔层的其他部分中相比，部分之间的间隙520可以不同(例如，更小或更大)。
在各种实施例中，电绝缘阻隔层500可以作为多个离散部分510施加在激光器封装100和冷却板300之间(例如，在存在热界面材料320-1、320-2中的一个或两个的情况下)。在其他实施例中，电绝缘阻隔层500作为界面处的单个均匀层施加，并且材料的一部分被去除以在离散的部分510之间形成间隙520。例如，材料的一个或多个部分可以经由蚀刻(例如，在掩盖其余区域之后)去除。在各种实施例中，部分510中的一个或多个可以规则地成形(例如，正方形、其他多边形或圆形)，或者部分510中的一个或多个可以不规则地成形。类似地，间隙520在其整个长度上的宽度可以不均匀，并且可以以规则或不规则的图案改变宽度。如图5所示，当以平面图观察时，部分510中的一个或多个或甚至全部可以为正多边形(或圆形)，其中部分510的所有边具有大致相同的长度。(也就是说，在各种实施例中，部分510具有与不规则形状不同的形状，不规则形状是由于在较小空间内挤压液体或凝胶材料或将这种材料引入而导致的。)在各种实施例中，当从侧面或横截面观察时，每个部分510在其横向尺寸上可以具有基本相同的厚度(并且部分510中的两个或多个或者甚至全部可以具有相互之间基本相同的厚度)，和/或部分510的侧壁可以基本垂直于部分510的顶部表面和底部表面，所述顶部表面和底部表面可以彼此平行。在各种实施例中，部分510中的一个或多个(或者甚至全部)可以在冷却器110的整个横向尺寸(例如，长度或宽度)上延伸(例如，以“条(strips)”或“条纹(stripes)”的方式)，而一个或多个其他部分可以更小。在各种实施例中，部分510的一个或多个的一部分可以从冷却器110的下方延伸出来，例如，如图3和图4所示。
在各种实施例中，划分的电绝缘阻隔层500与也为电绝缘的热界面材料320-1和/或热界面材料320-2一起使用，以便防止激光器封装100与冷却板300之间在间隙520中的一个或多个内的无意的导电。在各种实施例中，顺从的或柔性的材料(例如，柔性环氧树脂)可以设置在间隙520中的一个或多个内，以防止激光器封装100和冷却板300之间的无意的导电。
在各种实施例中，热界面材料320(例如，热界面材料320-1和/或热界面材料320-2)和/或与其接触的部件的一部分可以用密封材料密封以进一步最小化或防止热界面材料的蠕变或运动，例如，如在2016年1月26日提交的美国专利申请序列No.15/006,733中所描述的，其全部公开内容通过引用合并于此。
根据本发明的实施例的封装激光器可以用在WBC激光系统中。图6示出了利用封装的激光器605的示例性WBC激光系统600。封装的激光器605可以包括例如本申请中详述的激光器封装100，基本上由其组成，或由其构成，所述激光器封装100设置在如本申请所详述的冷却板300上。在图6的示例中，激光器605的特征在于二极管条，该二极管条具有发射光束610的四个光束发射器(参见放大的输入视图615)，但是本发明的实施例可以利用发射任意数量单独光束的二极管条，或者利用二极管或二极管条的二维阵列或堆叠。在视图615中，每个光束610由线表示，其中该线的长度或较长尺寸表示光束的缓慢发散尺寸(slowdiverging dimension)，而高度或较短尺寸表示快速发散尺寸(fast divergingdimension)。准直光学器件620可用于沿快速尺寸准直每个光束610。可以使用变换光学器件625沿WBC方向630组合每个光束610，该变换光学器件可以包括一个或多个柱面或球面透镜和/或反射镜，基本上由其组成，或由其组成。然后，变换光学器件625将组合光束重叠到色散元件635上(所述色散元件可以包括例如诸如反射或透射衍射光栅等的衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成)，再然后，组合光束作为单个输出轮廓被传输到输出耦合器640上。然后，如输出前视图650所示，输出耦合器640传输组合光束645。输出耦合器640通常是部分反射的，并且在该外腔系统600中用作所有激光元件的公共前端面。外腔是激光系统，在这里辅助反射镜在远离每个激光发射器的发射孔或端面的距离处移位。在一些实施例中，附加光学器件放置在发射孔或端面与输出耦合器或部分反射表面之间。
本文使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征的任何等同物或其部分，而是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (68)

1.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
设置在激光器封装和阻隔层之间的第一热界面材料；
设置在阻隔层和冷却板之间的第二热界面材料；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的装置，在激光器封装和冷却板之间具有阻隔层与第一和第二热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少第一和第二热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；
其中，附接装置包括弹性构件和紧固件，所述紧固件将所述激光器封装附接至所述冷却板并压缩所述弹性构件，其中所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光束发射器包括配置为发射多个离散光束的二极管条。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述顶部激光器冷却器或所述底部激光器冷却器中的至少一个包括铜。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却板包括铝。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻隔层包括氮化铝。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热界面材料或所述第二热界面材料中的至少一个包括凝胶、焊料、膏或液体。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热界面材料或所述第二热界面材料中的至少一个包括相变材料。
10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第二激光器封装，其设置在冷却板上方；和
汇流条，其将激光器封装电连接至第二激光器封装。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电绝缘阻隔层包括多个之间具有间隙的离散的部分。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电绝缘阻隔层包括在激光器封装与冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括相同的材料。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括不同的材料。
15.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
热界面材料，其设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的装置，在激光器封装和冷却板之间具有阻隔层与热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；
其中，附接装置包括弹性构件和紧固件，所述紧固件将所述激光器封装附接至所述冷却板并压缩所述弹性构件，其中所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述热界面材料设置在激光器封装与阻隔层之间。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧。
20.根据权利要求15所述的装置，其中，所述光束发射器包括配置为发射多个离散光束的二极管条。
21.根据权利要求15所述的装置，其中，所述顶部激光器冷却器或所述底部激光器冷却器中的至少一个包括铜。
22.根据权利要求15所述的装置，其中，所述冷却板包括铝。
23.根据权利要求15所述的装置，其中，所述阻隔层包括氮化铝。
24.根据权利要求15所述的装置，其中，所述热界面材料包括凝胶、焊料、膏或液体。
25.根据权利要求15所述的装置，其中，所述热界面材料包括相变材料。
26.根据权利要求15所述的装置，进一步包括：
第二激光器封装，其设置在冷却板上方；和
汇流条，其将激光器封装电连接至第二激光器封装。
27.根据权利要求15所述的装置，其中，所述电绝缘阻隔层包括多个之间具有间隙的离散的部分。
28.根据权利要求15所述的装置，其中，所述电绝缘阻隔层包括在激光器封装与冷却板之间无间隙地延伸的一个或多个层。
29.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
设置在激光器封装和阻隔层之间的第一热界面材料；以及
设置在阻隔层和冷却板之间的第二热界面材料；
其中，所述电绝缘阻隔层包括多个之间具有空的间隙的离散的面积部分。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述光束发射器包括配置为发射多个离散光束的二极管条。
31.根据权利要求29所述的装置，其中，所述顶部激光器冷却器或所述底部激光器冷却器中的至少一个包括铜。
32.根据权利要求29所述的装置，其中，所述冷却板包括铝。
33.根据权利要求29所述的装置，其中，所述阻隔层包括氮化铝。
34.根据权利要求29所述的装置，其中，所述第一热界面材料或所述第二热界面材料中的至少一个包括凝胶、焊料、膏或液体。
35.根据权利要求29所述的装置，其中，所述第一热界面材料或所述第二热界面材料中的至少一个包括相变材料。
36.根据权利要求29所述的装置，进一步包括：
第二激光器封装，其设置在冷却板上方；和
汇流条，其将激光器封装电连接至第二激光器封装。
37.根据权利要求29所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括相同的材料。
38.根据权利要求29所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括不同的材料。
39.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间的导电的电绝缘阻隔层；以及
热界面材料，其设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间，其中，所述电绝缘阻隔层包括多个之间具有空的间隙的离散的面积部分。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述热界面材料设置在激光器封装与阻隔层之间。
41.根据权利要求39所述的装置，其中，所述热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。
42.根据权利要求39所述的装置，其中，所述光束发射器包括配置为发射多个离散光束的二极管条。
43.根据权利要求39所述的装置，其中，所述顶部激光器冷却器或所述底部激光器冷却器中的至少一个包括铜。
44.根据权利要求39所述的装置，其中，所述冷却板包括铝。
45.根据权利要求39所述的装置，其中，所述阻隔层包括氮化铝。
46.根据权利要求39所述的装置，其中，所述热界面材料包括凝胶、焊料、膏或液体。
47.根据权利要求39所述的装置，其中，所述热界面材料包括相变材料。
48.根据权利要求39所述的装置，进一步包括：
第二激光器封装，其设置在冷却板上方；和
汇流条，其将激光器封装电连接至第二激光器封装。
49.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
设置在激光器封装和阻隔层之间的第一热界面材料；
设置在阻隔层和冷却板之间的第二热界面材料；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，在激光器封装和冷却板之间具有阻隔层与第一和第二热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少第一和第二热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；其中，所述紧固件包含弹性构件或机械地接合弹性构件，其中，所述紧固件压缩所述弹性构件，并且所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
50.根据权利要求49所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧。
51.根据权利要求49所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉。
52.根据权利要求49所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括相同的材料。
53.根据权利要求49所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括不同的材料。
54.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
热界面材料，其设置在(i)激光器封装与阻隔层之间或(ii)阻隔层与冷却板之间；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，在激光器封装和冷却板之间具有阻隔层与第一和第二热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；
其中，所述紧固件包含弹性构件或机械地接合弹性构件，其中，所述紧固件压缩所述弹性构件，并且所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
55.根据权利要求54所述的装置，其中，所述热界面材料设置在激光器封装与阻隔层之间。
56.根据权利要求54所述的装置，其中，所述热界面材料设置在阻隔层和冷却板之间。
57.根据权利要求54所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧，基本上由至少一个弹簧组成，或由至少一个弹簧组成。
58.根据权利要求54所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉，基本上由螺钉组成，或由螺钉组成。
59.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间的热界面材料；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的装置，在激光器封装和冷却板之间具有热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；
其中，附接装置包括弹性构件和紧固件，所述紧固件将所述激光器封装附接至所述冷却板并压缩所述弹性构件，其中所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
60.根据权利要求59所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧。
61.根据权利要求59所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉。
62.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；以及
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层，
其中，所述电绝缘阻隔层包括多个之间具有空的间隙的离散的面积部分。
63.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间的热界面材料；以及
用于将激光器封装附接至冷却板的紧固件，在激光器封装和冷却板之间具有热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；其中，所述紧固件包含弹性构件或机械地接合弹性构件，其中，所述紧固件压缩所述弹性构件，并且所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
64.根据权利要求63所述的装置，其中，所述弹性构件包括至少一个弹簧。
65.根据权利要求63所述的装置，其中，所述紧固件包括螺钉。
66.一种激光装置，包括：
光束发射器；
激光器封装，其包括(i)设置在光束发射器上方并与之热接触的导热顶部激光器冷却器，以及(ii)设置在光束发射器下方并与之热接触的导热底部激光器冷却器；
设置在激光器封装下方、用于将热量从激光器封装传导走的导热冷却板；
设置在激光器封装和冷却板之间、用于防止激光器封装和冷却板之间导电的电绝缘阻隔层；
设置在激光器封装和阻隔层之间的第一热界面材料；以及
设置在阻隔层和冷却板之间的第二热界面材料；
用于将激光器封装附接至冷却板的装置，在激光器封装和冷却板之间具有阻隔层与第一和第二热界面材料，并允许激光器封装响应于光束发射器工作所产生的热循环的运动，由此减少第一和第二热界面材料远离激光封装和冷却板之间的界面的运动；
其中，附接装置包括弹性构件和紧固件，所述紧固件将所述激光器封装附接至所述冷却板并压缩所述弹性构件，其中所述弹性构件配置为响应于激光器封装的热致膨胀而被另外地压缩。
67.根据权利要求66所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括相同的材料。
68.根据权利要求66所述的装置，其中，所述第一热界面材料和所述第二热界面材料包括不同的材料。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020081333A1 (en) * 2018-10-15 2020-04-23 Panasonic intellectual property Management co., Ltd Systems and methods for addressing pumping of thermal interface materials in high-power laser systems
USD941895S1 (en) * 2020-06-11 2022-01-25 Panasonic intellectual property Management co., Ltd Laser beam-combining engine with fiber optic module
USD941894S1 (en) * 2020-06-11 2022-01-25 Panasonic intellectual property Management co., Ltd Laser beam-combining engine with beam-shaping module
CN115728936B (zh) * 2022-11-30 2024-05-17 西安交通大学 基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004186212A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Sony Corp 半導体レーザーアレイ装置

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60219788A (ja) * 1984-04-16 1985-11-02 Fuji Xerox Co Ltd 半導体レ−ザの取付装置
JPS61176992U (zh) * 1985-04-24 1986-11-05
JPS61265887A (ja) * 1985-05-21 1986-11-25 Tohoku Metal Ind Ltd 固体レ−ザ装置
JPH0421103U (zh) * 1990-06-14 1992-02-21
JPH04289715A (ja) * 1991-03-18 1992-10-14 Toshiba Corp 原子炉のｍｉケーブル取付け構造
JPH0613378U (ja) * 1992-07-13 1994-02-18 神鋼電機株式会社 直流回転電機のブラシ取付位置調整機構
JPH0982859A (ja) * 1995-09-11 1997-03-28 Toshiba Corp ヒートシンク組立体
US5669432A (en) * 1996-03-28 1997-09-23 Nisenson; Jules Automatic-locking mechanical drive construction
JPH09293917A (ja) * 1996-04-26 1997-11-11 Mitsui Petrochem Ind Ltd 半導体レーザ励起固体レーザ装置
JPH10163548A (ja) * 1996-12-03 1998-06-19 Miyachi Technos Corp 固体レーザ装置
US6208679B1 (en) 1998-09-08 2001-03-27 Massachusetts Institute Of Technology High-power multi-wavelength external cavity laser
US6192062B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Massachusetts Institute Of Technology Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power
JP3681581B2 (ja) * 1999-07-30 2005-08-10 ファナック株式会社 冷却装置とそれを備えた面発光装置
DE60320613T2 (de) * 2002-03-29 2009-06-10 Panasonic Corp., Kadoma Optische Vorrichtung und deren Herstellungsverfahren, optisches Modul, und optisches Transmissionssystem
US9166130B2 (en) * 2012-10-24 2015-10-20 Spectrasensors, Inc. Solderless mounting for semiconductor lasers
JP2006066664A (ja) 2004-08-27 2006-03-09 Toyota Motor Corp 両面冷却面発光レーザ装置
JP2006324334A (ja) 2005-05-17 2006-11-30 Noritsu Koki Co Ltd レーザ発光装置
US7864825B2 (en) 2006-08-10 2011-01-04 Lasertel, Inc. Method and system for a laser diode bar array assembly
EP2434541B1 (en) * 2009-05-21 2015-07-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method for bonding high heat conductive insulating resin to a heat sink
WO2011109763A2 (en) 2010-03-05 2011-09-09 TeraDiode, Inc. Selective repositioning and rotation wavelength beam combining system and method
CN103081261B (zh) 2010-03-05 2016-03-09 泰拉二极管公司 波长光束组合系统与方法
US8670180B2 (en) 2010-03-05 2014-03-11 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser with multiple outputs
US20120328392A1 (en) * 2011-06-21 2012-12-27 Agostino Difante Toggle bolt fastener and method of operation
US8681829B2 (en) * 2011-08-29 2014-03-25 Intellectual Light, Inc. Compression mount for semiconductor devices, and method
GB2495774A (en) * 2011-10-21 2013-04-24 Barco Nv Laser diode grid element comprised of standard laser diodes on a heat exchange plate and PCB
US9746679B2 (en) 2012-02-22 2017-08-29 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser systems utilizing lens roll for chief ray focusing
JP2014183213A (ja) 2013-03-19 2014-09-29 Toshiba Corp 半導体モジュール、及び半導体モジュールの製造方法
DE102014000510B4 (de) 2014-01-20 2018-10-25 Jenoptik Laser Gmbh Halbleiterlaser mit anisotroper Wärmeableitung
CN203774606U (zh) * 2014-04-08 2014-08-13 西安科技大学 具有圆棒状激光晶体装配压力调节功能的热沉装置
JP6876933B2 (ja) * 2014-12-26 2021-05-26 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置
JP6365322B2 (ja) * 2015-01-23 2018-08-01 三菱電機株式会社 半導体装置
US9843164B2 (en) 2015-01-27 2017-12-12 TeraDiode, Inc. Solder sealing in high-power laser devices
US10044171B2 (en) * 2015-01-27 2018-08-07 TeraDiode, Inc. Solder-creep management in high-power laser devices
US10043730B2 (en) 2015-09-28 2018-08-07 Xilinx, Inc. Stacked silicon package assembly having an enhanced lid
EP3447863B1 (en) * 2016-04-19 2021-03-31 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Semiconductor laser device and method for manufacturing same
CN107863685A (zh) * 2017-11-29 2018-03-30 西安炬光科技股份有限公司 一种温度控制结构及激光器模块
CN107853685A (zh) 2017-11-29 2018-03-30 湖北龙之泉农业发展股份有限公司 粉条加工的漏粉装置及方法
WO2020081333A1 (en) * 2018-10-15 2020-04-23 Panasonic intellectual property Management co., Ltd Systems and methods for addressing pumping of thermal interface materials in high-power laser systems

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004186212A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Sony Corp 半導体レーザーアレイ装置

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