CN114122905A - 热沉装置及to封装激光阵列热沉装置 - Google Patents

热沉装置及to封装激光阵列热沉装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热沉装置及TO封装激光阵列热沉装置，所述热沉装置包括阵列座、多个第一密封圈和多个第二密封圈，阵列座开设有多个用于容置TO封装激光阵列的半导体激光二极管的通孔，阵列座的内部开设有通道，通道的两端开口于阵列座的外周面并穿设连通各通孔；第一密封圈和第二密封圈设置于通孔内，分别用于套设在对应的半导体激光二极管的上端和下端，以实现阵列座与半导体激光二极管之间密封的状态；通道一端的开口用于供冷却液流入，另一端的开口用于供冷却液流出，冷却液依次流经多个半导体激光二极管的表面，带走表面热量，从而实现对TO封装激光阵列的冷却。

Description

热沉装置及TO封装激光阵列热沉装置
技术领域
本发明涉及激光光电子技术及其应用领域，尤其涉及一种热沉装置及TO封装激光阵列热沉装置。
背景技术
高（大）功率半导体激光器(LD)及其阵列是工业、医疗和基础研究等领域的理想激光源，应用广泛。半导体激光器向高平均功率发展存在的一个最大问题是散热。随着注入电流的增加，产生的热功耗随之增加，由热功耗而引起有源区的温度升高会影响激光器性能参数，严重时会使激光器彻底毁坏。如何有效导出因耗散功率所转化的热量，解决冷却散热问题成为研制高功率半导体激光器必须攻克的关键技术之一。
目前，高性能半导体激光器的电光效率大约为50%，其余能量基本转化成为热能。因此，获得一定能量的激光必然伴随产生1倍左右的热能。另外，高功率半导体激光器中热量产生的一个特点是非常集中，在单位面积或者体积之内，产生极高热流密度的热量(目前典型值1×107W/m2)，只有采用高效、低热阻的热沉/冷却器(用于激光器热源和冷却流体之间换热的散热器)，才能将集中的热量从发热部分中导出且只引起温度的合理升高。导热性较好的材料和装配技术的发展能够在一定程度上解决大功率半导体激光器的散热问题，但是还是无法满足大功率TO封装半导体激光器的散热需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种热沉装置，该热沉装置能够快速均匀冷却半导体激光阵列，从而提高半导体激光阵列的光束质量和寿命，解决现有大功率TO封装半导体激光器的散热问题。
本申请提供一种热沉装置，用于对TO封装激光阵列的半导体激光二极管进行冷却，包括阵列座，其开设有至少一个贯通其上下的通孔，所述阵列座的内部开设有通道，所述通道的两端开口于所述阵列座的外周面并穿设连通所述通孔，所述通孔用于容置所述TO封装激光阵列的半导体激光二极管；多个第一密封圈，所述第一密封圈设置于所述通孔内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管的下端，以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的下端密封的状态；多个第二密封圈，所述第二密封圈设置于所述通孔内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管的上端，以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的上端密封的状态；其中，所述通道一端的开口用于供冷却液流入，另一端的开口用于供冷却液体流出，所述冷却液体依次流经多个所述半导体激光二极管的表面，带走表面热量，从而实现对所述TO封装激光阵列的冷却。
在本申请的一些实施例中，所述通道包括多个贯通于所述通孔的第一通道和多个第二通道，多个所述第一通道相互平行，两个相邻的所述第一通道通过一个所述第二通道连通，冷却液在所述第一通道和所述第二通道中流动而对所述通孔内的所述半导体激光二极管实现冷却。
在本申请的一些实施例中，所述半导体激光二极管的外表面的凸台上方设置有压环；所述第二密封圈紧贴所述压环上方设置，所述第二密封圈、所述压环与所述半导体激光二极管配合以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的上端密封的状态。
在本申请的一些实施例中，所述阵列座上方设置有压板，所述压板开设有与所述通孔相对应的阵列孔，所述阵列孔的内径与所述半导体激光二极管上端的直径相一致，所述压板通过螺钉与所述阵列座连接，使得所述压板自上而下压紧所述第二密封圈、所述压环和所述第一密封圈。
在本申请的一些实施例中，每个所述阵列孔的周侧均布多颗螺钉。
在本申请的一些实施例中，所述通道的两端于所述阵列座的外周面的开口分别连接有进水接头和出水接头。
在本申请的一些实施例中，所述阵列座的外周面开设有多个连通于所述通道的加工工艺孔，所述热沉装置还包括多个堵头，所述堵头用于在所述热沉装置使用时封堵对应的所述加工工艺孔。
在本申请的一些实施例中，所述热沉装置还包括绝缘片，所述绝缘片用于套设在所述半导体激光二极管的二极管针脚外表面，以防止所述二极管针脚外表面和所述阵列座接触。
本申请还提供一种TO封装激光阵列热沉装置，包括上述任一项所述的热沉装置和设置在所述热沉装置内的TO封装激光阵列，所述TO封装激光阵列包括多个呈阵列设置的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管包括TO管壳和安装在所述TO管壳下方的二极管针脚。
本发明提供一种热沉装置，包括阵列座、多个第一密封圈和多个第二密封圈。阵列座开设有至少一个贯通其上下的通孔，阵列座的内部开设有通道，通道的两端开口于阵列座的外周面并穿设连通通孔，通孔用于容置TO封装激光阵列的半导体激光二极管；第一密封圈设置于通孔内，用于套设在对应的半导体激光二极管的下端，以实现阵列座与半导体激光二极管的下端密封的状态；第二密封圈设置于通孔内，用于套设在对应的半导体激光二极管的上端，以实现阵列座与半导体激光二极管的上端密封的状态；通道一端的开口用于供冷却液流入，另一端的开口用于供冷却液体流出，冷却液体依次流经多个半导体激光二极管的表面，带走表面热量，从而实现对TO封装激光阵列的冷却。
附图说明
图1为本发明一实施例的TO封装激光阵列热沉装置的正视图。
图2为本发明上述实施例的TO封装激光阵列热沉装置的爆炸视图。
图3为本发明上述实施例的TO封装激光阵列热沉装置的剖面结构示意图。
图4为本发明上述实施例的TO封装激光阵列热沉装置的通道的剖面结构示意图。
图5为本发明上述实施例的TO封装激光阵列热沉装置的轴侧视图。
附图标记说明如下：
1、阵列座；11、通孔；12、通道；121、第一通道；122、第二通道；123、进水口；124、出水口；125、加工工艺孔；13、上表面；14、下表面；15、外周面；2、半导体激光二极管；21、TO管壳；211、底座；212、凸台；22、二极管针脚；23、第一密封圈；24、压环；25、第二密封圈；3、进水接头；4、出水接头；5、绝缘片；6、压板；61、螺钉；62、阵列孔；7、堵头；100、热沉装置；200、TO封装激光阵列热沉装置。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种热沉装置100，用于对TO封装激光阵列的半导体激光二极管2进行冷却，从而提高半导体激光阵列的光束质量和寿命。
请参阅图2，该热沉装置100包括阵列座1、多个第一密封圈23和多个第二密封圈25。
请参阅图4，所述阵列座1内开设有至少一个贯通其上下的通孔11，所述通孔11用于容置所述TO封装激光阵列的半导体激光二极管2。所述阵列座1的内部开设有通道12，所述通道12的两端开口于所述阵列座1的外周面并穿设连通所述通孔11。请参阅图3和图4，所述阵列座1具有相对的上表面13和下表面14，以及连接所述上表面13的周缘和所述下表面14的周缘的外周面15。具体地，所述阵列座1均设有多个通孔11，每个所述通孔11对应一个所述半导体激光二极管2，所述半导体激光二极管2可通过所述通孔11于所述阵列座1的上表面13的开口，所述二极管针脚22可通过通孔11于所述阵列座1的下表面14的开口。
所述阵列座1内部的所述通道12的两端开口于所述阵列座1的外周面15。具体地，所述通道12为单向水流通道，其包括多个第一通道121和第二通道122，多个所述第一通道121相互平行，两个相邻的所述第一通道121通过一个所述第二通道122连通，且所述第二通道122与两个所述第一通道121垂直连通，冷却液可依次从所述第一通道121流经所述第二通道122再依次进入第二个所述第一通道121和第二个所述第二通道122。所述第一通道121与所述通孔11连通，每个所述第一通道121上可连通多个所述通孔11。如此，则所述通道12内的冷却液可单向依次经过所述阵列座1内的多个所述通孔11。可以理解地是，在其他的实施例中，所述通道12可以布置为其他的形状，只要其满足冷却液单向流通即可。此外，所述通孔11的数量及其在所述通道12上的位置也可以根据实际需要进行变化。
所述阵列座1还设置有进水接头3和出水接头4，所述通道12的两端在所述阵列座1开设的开口分别为进水口123和出水口124，所述进水接头3连接所述进水口123，所述出水接头4连接所述出水口124。用于冷却所述半导体激光二极管2的冷却液由所述进水接头3进入所述通道12，依次流经设置在所述半导体激光二极管2在所述通道12内的封闭部分，冷却液对所述半导体激光二极管2进行冷却后由所述出水接头4流出。
所述热沉装置100还包括多个堵头7，由于所述阵列座1的外周面15具有多个加工工艺孔125，所述堵头7用于在所述热沉装置100使用时，使用堵头7分别对所述加工工艺孔125进行封堵。
请再参阅图1和图3，所述半导体激光二极管2包括TO管壳21和安装于所述TO管壳21底部的二极管针脚22。所述TO管壳21包括底座211和位于所述底座211上方的凸台212，所述底座211的直径大于所述凸台212直径。所述二极管针脚外22表面套设有绝缘片5，以防止所述二极管针脚22外表面和所述阵列座1发生接触。
所述第一密封圈23设置于所述通孔11内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管2的下端，以实现所述阵列座1与所述半导体激光二极管2的下端密封的状态。具体地，所述第一密封圈23位于所述TO管壳21的底座211的底面，且紧贴所述TO管壳21的底座211的底面边缘。当所述二极管针脚22穿过所述阵列座1的下表面14的所述通孔11开口时，所述TO管壳21的所述底座211下方边缘的所述第一密封圈23被压紧于所述通道12上，以封闭所述TO管壳21的所述底座211的底面与所述阵列座1之间的间隙，实现对所述半导体激光二极管2的下端密封的状态。
可以理解的是，通过所述第一密封圈23和所述第二密封圈25分别紧密套设在所述半导体激光二极管2两端的方式，实现所述半导体激光二极管2与所述通道12之间的密封性，以此冷却液能够在所述通道12中流动，依次带走所述半导体阵列的所述TO封装半导体激光二极管2表面热量，达到热沉冷却效果。
进一步地，还包括压环24，所述压环24设置在所述TO管壳21的凸台212的上方，所述凸台212对所述压环24起支撑作用。
所述第二密封圈25设置在所述压环24的上方，并紧贴所述压环24设置，所述压环24可将抬高所述第二密封圈25的位置，使所述第二密封圈25高于所述通道12，并为所述第二密封圈25提供更宽的支撑面。所述第二密封圈25将所述阵列座1的上表面13的所述通孔11的开口与所述TO管壳21之间的间隙封闭，实现对所述半导体激光二极管2的下端密封的状态。
放置所述半导体激光二极管2时，所述二极管针脚22先进入所述通孔11，其通过所述阵列座1的下表面14的所述通孔11开口后，由于所述阵列座1的下表面14的所述通孔11开口小于所述TO管壳21的所述底座211，所述TO管壳21的所述底座211无法通过，进而所述半导体激光二极管2可容置于所述通孔11内，所述通孔11与所述阵列座1的所述通道12连通，则所述半导体激光二极管2也容置于所述通道12内。位于所述TO管壳21的底座211底面的所述第一密封圈23将所述TO管壳21的所述底座211底面与所述阵列座1之间的间隙封闭；所述压环24将所述第二密封圈25抬高至所述通孔11在所述阵列座1的上表面13的开口处，所述第二密封圈25将所述通孔11开口与所述TO管壳21之间的间隙封闭。如此，通过将所述TO管壳21与所述阵列座1及所述阵列座1内的所述通孔11之间的间隙封闭，使得所述阵列座1内的所述通道12除了两端出口外实现了封闭，有效保证冷却液经过所述阵列座1内的所述通道12的封闭效果。
所述阵列座1的上方设置有压板6，所述压板6对应所述半导体激光二极管2开设有阵列孔62，所述压板6通过螺钉61与所述阵列座1连接，通过旋紧所述螺钉61使所述压板6自上而下压紧所述第二密封圈25、所述压环24和所述第一密封圈23。
请参阅图5，进一步地，每个所述阵列孔62的周侧均布多颗所述螺钉61。具体地，每个所述阵列孔62的周侧均布四颗所述螺钉61，以保证所述压板6对每个所述半导体激光二极管2受到所述压板6均匀且集中的压力，进一步保证所述半导体激光二极管2在所述通道12内的区域的封闭效果。
所述半导体激光二极管2通电工作时，将所述出水口124连通所述出水接头4，所述进水口123连通所述进水接头3，再将所述阵列座1上的加工工艺孔125通过堵头7进行封堵；把所述半导体激光二极管2放入所述阵列座1的所述通孔11内，将所述压板6放置在所述阵列座1上方，旋紧所述螺钉61使所述压板6自上而下压紧所述第二密封圈25、所述压环24和所述第一密封圈23，所述半导体激光二极管2置于所述通道12内的部分形成密封的区域。冷却液从所述进水接头3进入，沿着所述通道12依次与每个所述半导体激光二极管2接触，冷却液最终从所述出所述水接头4流出。此过程中，冷却液带走所述半导体激光二极管2的表面热量，达到热沉冷却效果。
本发明还提供一种TO封装激光阵列热沉装置200，其包括所述热沉装置100和设置在所述热沉装置100内的TO封装激光阵列，所述TO封装激光阵列包括多个呈阵列设置的半导体激光二极管2，所述半导体激光二极管2包括所述TO管壳21和安装在所述TO管壳21下方的所述二极管针脚22。
本申请的TO封装激光阵列热沉装置200通过冷却液流过所述半导体激光二极管2表面将热量快速带走，具有很强的散热能力，且制作结构简单，成本低，提高了半导体激光阵列的光束质量和寿命。可以理解的是，冷却液包括但不限于冷水。
本发明提供一种热沉装置100，包括阵列座1、多个第一密封圈23和多个第二密封圈25。所述阵列座1开设有至少一个贯通其上下的通孔11，所述阵列座1的内部开设有通道12，所述通道12的两端开口于所述阵列座1的外周面15并穿设连通所述通孔11，所述通孔11用于容置TO封装激光阵列的所述半导体激光二极管2；所述第一密封圈23设置于所述通孔11内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管2的下端，以实现所述阵列座1与所述半导体激光二极管2的下端密封的状态；所述第二密封圈25设置于所述通孔11内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管2的上端，以实现所述阵列座1与所述半导体激光二极管2的上端密封的状态；所述通道12一端的开口用于供冷却液流入，另一端的开口用于供冷却液流出，冷却液依次流经多个所述半导体激光二极管2的表面，带走表面热量，从而实现对所述TO封装激光阵列的冷却。
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热沉装置，用于对TO封装激光阵列的半导体激光二极管进行冷却，其特征在于，包括：
阵列座，其开设有至少一个贯通其上下的通孔，所述阵列座的内部开设有通道，所述通道的两端开口于所述阵列座的外周面并穿设连通所述通孔，所述通孔用于容置所述TO封装激光阵列的半导体激光二极管；
多个第一密封圈，所述第一密封圈设置于所述通孔内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管的下端，以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的下端密封的状态；
多个第二密封圈，所述第二密封圈设置于所述通孔内，用于套设在对应的所述半导体激光二极管的上端，以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的上端密封的状态；
其中，所述通道一端的开口用于供冷却液流入，另一端的开口用于供冷却液体流出，所述冷却液体依次流经多个所述半导体激光二极管的表面，带走表面热量，从而实现对所述TO封装激光阵列的冷却。
2.根据权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述通道包括多个贯通于所述通孔的第一通道和多个第二通道，多个所述第一通道相互平行，两个相邻的所述第一通道通过一个所述第二通道连通，冷却液在所述第一通道和所述第二通道中流动而对所述通孔内的所述半导体激光二极管实现冷却。
3.根据权利要求2所述的热沉装置，其特征在于，所述半导体激光二极管的外表面的凸台上方设置有压环；所述第二密封圈紧贴所述压环上方设置，所述第二密封圈、所述压环与所述半导体激光二极管配合以实现所述阵列座与所述半导体激光二极管的上端密封的状态。
4.根据权利要求3所述的热沉装置，其特征在于，所述阵列座上方设置有压板，所述压板开设有与所述通孔相对应的阵列孔，所述阵列孔的内径与所述半导体激光二极管上端的直径相一致，所述压板通过螺钉与所述阵列座连接，使得所述压板自上而下压紧所述第二密封圈、所述压环和所述第一密封圈。
5.根据权利要求4所述的热沉装置，其特征在于，每个所述阵列孔的周侧均布多颗螺钉。
6.根据权利要求5所述的热沉装置，其特征在于，所述通道的两端于所述阵列座的外周面的开口分别连接有进水接头和出水接头。
7.根据权利要求6所述的热沉装置，其特征在于，所述阵列座的外周面开设有多个连通于所述通道的加工工艺孔，所述热沉装置还包括多个堵头，所述堵头用于在所述热沉装置使用时封堵对应的所述加工工艺孔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的热沉装置，其特征在于，所述热沉装置还包括绝缘片，所述绝缘片用于套设在所述半导体激光二极管的二极管针脚外表面，以防止所述二极管针脚外表面和所述阵列座接触。
9.一种TO封装激光阵列热沉装置，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的热沉装置和设置在所述热沉装置内的TO封装激光阵列，所述TO封装激光阵列包括多个呈阵列设置的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管包括TO管壳和安装在所述TO管壳下方的二极管针脚。
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