CN114421279A

CN114421279A - 一种半导体激光装置

Info

Publication number: CN114421279A
Application number: CN202210321214.3A
Authority: CN
Inventors: 陈晓华; 郭渭荣; 王宝华; 时敏; 李娟�; 董晓培; 郭方君玥
Original assignee: BWT Beijing Ltd
Current assignee: BWT Beijing Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明提出一种半导体激光装置，包括：底板，底板内安装有冷却通道，其中冷却通道具有U型管，U型管具有两个直管段；激光器阵列，激光器阵列包括若干个激光器单管和小反射镜，激光器单管并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，小反射镜并排安装在激光器单管的相对位置，用于将激光器单管发出的光照射到合束装置进行空间合束。本发明提供的半导体激光装置，底板内有冷却液道，冷却通道具有U型管，U型管具有两个直管段，激光器单管并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，两个直管段相比单个水道可以带来更好的冷却效果，进而可以提高激光器装置的输出功率。

Description

一种半导体激光装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种半导体激光装置。

背景技术

大功率半导体激光器在材料加工、泵浦固体激光器等方面有大量应用。散热是一个制约半导体激光器功率质量比的因素。激光器单管温度过高会影响半导体激光器的性能，甚至损坏激光器。

相关技术中，单个的水道从半导体激光器单管阵列下方通过，冷却底板往往由铜制成。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：半导体激光器如果要充分散热，半导体激光器单管就不能过于集中。但如果半导体激光器单管过于分散，就会增大设备的尺寸和重量。现有技术中的半导体激光器中的反射镜需要铺设台阶，接收并反射位于不同高度的激光器单管射出的光。现有技术的半导体激光器没有进行充分优化，在功率质量比方面存在改进空间。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种轻量化、功率质量比高的半导体激光装置。

为达到上述目的，本发明提出的一种半导体激光装置，包括：

底板，底板内安装有冷却通道，其中冷却通道具有U型管，U型管具有两个直管段；

激光器阵列，激光器阵列包括若干个激光器单管和小反射镜，激光器单管并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，小反射镜并排安装在激光器单管的相对位置，用于将激光器单管发出的光照射到合束装置进行空间合束。

本发明提供的半导体激光装置，底板内有冷却液道，冷却通道具有U型管，U型管具有两个直管段，激光器单管并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，两个直管段相比单个水道可以带来更好的冷却效果，进而可以提高激光器装置的输出功率，一定程度上提高了激光装置的功率质量比。

根据本发明的一个实施例，所述激光器单管排列的周期为3～10mm，所述冷却通道的直径为1～12mm，所述冷却通道中含有冷却介质，冷却介质的流量大于3升/分钟。

根据本发明的一个实施例，所述小反射镜沿第一方向安装在所述底板上，沿第一方向所述小反射镜与所述底板之间的倾角相同，使得远离合束装置的小反射镜射出的光不被相邻并且靠近合束装置的小反射镜遮挡。

根据本发明的一个实施例，还包括热沉模块，热沉模块安装在所述底板上，所述激光器单管并排安装在热沉模块上。

根据本发明的一个实施例，所述激光器阵列包括第一激光器阵列和第二激光器阵列，在所述底板的一侧安装有第一大反射镜和第二大反射镜，第一大反射镜用于接收第一激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向，将光反射至第二大反射镜，第二大反射镜用于透过第一大反射镜射出的光，接收第二激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向。

根据本发明的一个实施例，还包括耦合透镜和第三大反射镜，耦合透镜和第三大反射镜安装在所述底板上，第三大反射镜用于接收第一大反射镜和第二大反射镜射出的光，改变光的传播方向，将光反射至耦合透镜，耦合透镜用于将光耦合进光纤。

根据本发明的一个实施例，所述激光器阵列的数量为多个，所述激光器阵列相互之间存在间隔空间，在间隔空间投影在所述底板的底部设置有凹槽，凹槽与所述冷却通道在空间上相离。

根据本发明的一个实施例，所述耦合透镜为单个透镜或透镜组。

根据本发明的一个实施例，所述凹槽的数量为多个，所述凹槽之间留有支撑壁。

根据本发明的一个实施例，所述凹槽的横截面为三角形、长方形或圆形。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例提出的半导体激光装置的整体结构示意图。

图2是本发明一实施例涉及的小反射镜阵列的结构示意图。

图3是本发明一实施例提出的半导体激光装置的去除底板的俯视结构示意图。

图4是本发明一实施例涉及的半导体激光装置的底部的结构示意图。

图5是本发明一实施例涉及的底板和冷却通道的有限元划分示意图。

图6是本发明一实施例涉及的半导体激光装置的热分布模拟图。

图7是本发明一实施例涉及的半导体激光装置的热分布剖面图。

附图标记：

1-激光器单管，2-底板，3-冷却通道，4-凹槽，5-小反射镜，61-第一大反射镜，62-第二大反射镜，7-耦合透镜，8-第三大反射镜，9-支撑壁。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

参见图1，一种半导体激光装置，包括底板2和激光器阵列。其中，底板2内安装有冷却通道3，其中冷却通道3具有U型管，U型管具有两个直管段。激光器阵列包括若干个激光器单管1和小反射镜5，激光器单管1并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，小反射镜5并排安装在激光器单管1的相对位置，用于将激光器单管1发出的光照射到合束装置进行空间合束。

可选地，结合图1至图3所示，小反射镜5沿第一方向安装在底板2上，沿第一方向小反射镜5与底板2之间的倾角相同，使得远离合束装置的小反射镜5射出的光不被相邻并且靠近合束装置的小反射镜遮挡。当小反射镜5调整到合适的角度，使得激光管单管1射出的光由对应的小反射镜反射后会稍向上倾斜从而不被相邻激光器单管1对应的小反射镜5阻挡，并且多个激光器单管1的光5在小反射镜反射后的传播中进行空间合束。这样的光路不需要为不同的半导体激光器单管1设置高度不同的台阶来进行空间合束，减轻了重量并且在一定程度上改善热分布。第一方向为图2中的X方向，也就是底板的长度方向。合束装置可以选用反射镜，如图1中的第一大反射镜61和第二大反射镜62。

激光器阵列的数量可以根据实际的需求来设计。例如图1中为2个激光器阵列，每个激光器阵列均沿X方向安装在底板2上。第一激光器阵列和第二激光器阵列发出的光的波长不同。

在一些实施例中，半导体激光装置还包括热沉模块，热沉模块安装在底板2上，激光器单管1并排安装在热沉模块上。热沉模块可以是烧结、焊接、粘接或螺栓连接的方式安装在底板2上的。

本发明实施例提供的半导体激光装置由于激光器阵列中的小反射与底板之间的倾角相同，使得任意一个小反射镜射出的光不被剩余的小反射镜遮挡，相比现有技术中需要铺设台阶避免小反射镜反射的光被其他小反射镜遮挡，不需要铺设台阶，因此也减轻了半导体激光装置，在激光装置功率不变的前提下，提高了功率质量比。

由于冷却通道3具有U形管，U型管具有两个直管段，使得每个半导体激光器阵列下方有两个直管段。激光器单管1排列的周期为3～10mm，冷却通道3的直径为1～12mm，冷却通道3中含有冷却介质，冷却介质的流量大于3升/分钟。激光器单管排列的周期、冷却通道的直径和冷却介质的流量是均经过模拟优化计算得到的。

可选地，结合图1-图3，激光器阵列包括第一激光器阵列和第二激光器阵列，激光器阵列的数量可以根据实际需求来设计。在底板2的一侧安装有第一大反射镜61和第二大反射镜62，第一大反射镜61用于接收第一激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向，将光反射至第二大反射镜62，第二大反射镜62用于透过第一大反射镜61射出的光，接收第二激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向。

半导体激光装置还包括耦合透镜7和第三大反射镜8，耦合透镜7和第三大反射镜8安装在底板2上，第三大反射镜8用于接收第一大反射镜61和第二大反射镜62射出的光，改变光的传播方向，将光反射至耦合透镜7，耦合透镜7用于将光耦合进光纤。

每个半导体激光器阵列中的多个半导体激光器单管1的光经小反射镜5反射后进行空间合束，分别在第一大反射镜61和第二大反射镜62处转为水平方向传播。激光器单管射出的光经过第三大反射镜8的反射转向，可以缩减底板2的尺寸。

激光器阵列的光可通过耦合透镜7耦合进光纤，光纤数值孔径(NA)在0.22左右，纤芯直径≤300μm，耦合透镜7可以是单个透镜或透镜组。

两个或两个以上的半导体激光器阵列还可进行偏振合束和波长合束再耦合进光纤，第一大反射镜61和第二大反射镜62可以是普通镜片，也可以使用偏振片、偏振立方体、波长合束镜等偏振合束和波长合束元件。

参照图1、图4，激光器阵列相互之间存在间隔空间，在间隔空间投影在底板2的底部设置有凹槽4，凹槽4与冷却通道3在空间上相离。凹槽4需要不影响冷却通道，并且留出一些支撑壁9来在一定程度上维持底板的牢固性。凹槽4的数量可以为多个，凹槽4的横截面为三角形、长方形或圆形。凹槽4的排布根据实际的需要来设定。

可选地，激光器单管1的光功率≥20W，激光器单管1电光效率≥60%，激光器单管1亮度≥2W/mm·mrad。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例涉及到的内容进行说明。

本优选实施例中，每一个激光器阵列有22个激光器单管，单管排列的周期为6mm。激光器单管的出光功率42W，电光效率60%，产热功率28W。

本优选实施例中，底板2由轻质材料制成，密度≤3g/cm³，热导率≥150W/(m·K)。例如，底板2的厚度12mm，长度160mm，宽度100mm。底板2由6061铝合金制成，密度2700

，热导率170

。

本优选实施例提供的半导体激光器的参数计算过程如下：

冷却通道直径5mm，流量5升/分钟，流入水温25℃。冷却通道中的冷却水平均流速为：

=4.244

冷却水的雷诺数计算公式为：

式中，Re为雷诺数，ρ为流体密度，

为平均流速，即流量与横截面积之比，

为流动几何特征尺度，μ为粘度。水的密度为

，水的粘度为

，冷却通道直径5mm，水平均流速4.244

。

因此，雷诺数为：

=21755

摩擦因子计算公式为：

根据计算得的雷诺数可得摩擦因子为0.0036565。

努谢尔特数计算公式为：

式中，Nu为努谢尔特数，Pr为普朗特数，对于20℃的水而言，该值约为7.0；

根据计算得的摩擦因子、雷诺数，可得努谢尔特数为38.84。

对流换热系数计算公式为：

式中，h为对流换热系数，D为水管内直径5mm，k为水的热传导系数，大约为

。

根据计算得的努谢尔特数可得对流换热系数为：

=4661

建立简化的底板模型，省略掉支撑壁9和凹槽4。建立半导体激光器单管和热沉模块的模型排列在底板模型上面。如图5，将模型划分为有限元单元，在冷却通道的面上加对流换热系数为4661，温度为25℃的对流。

对热分布进行模拟计算，温度分布的结果如图6、图7。

计算表明，第一激光阵列的激光器单管的最高温度为117℃，第二激光阵列的激光器单管的最高温度为113℃，仍在可容许的范围内。

可见半导体激光器单管的功率、阵列排布的周期、底板的材料和尺寸、冷却通道的直径、流量等设计参数是能够提供可以接受的温度分布的。

并且通过控制底板2的尺寸、开挖凹槽4等手段使半导体激光装置的重量在400克以下。即使考虑光路各部分有13%的损耗，功率质量比也可达到

=4.02W/g

功率质量比大于2W/g，满足实际工作的需要。

从上述计算过程可以看出，冷却介质流量大可以增加激光装置的冷却能力。冷却通道直径可以通过多次模拟进行优化，如果太宽，冷却介质的流速小，对流换热系数就会小，如果太窄，一方面换热面积会减小，另一方面不利于增加流量。激光器单管排列的周期需要随着单管功率的增加而增大，从而能够散热。但过大又会增加重量。需要在能够散走热量的前提下尽量小。

本实施例提供的半导体激光装置，经过设计优化，选取的参数的数值范围是经过多次模拟后得到的，可以获得较好的功率质量比。通过在冷却板下面加设不影响冷却通道的凹槽，保证冷却板有足够的牢固性，进一步减轻了激光装置的重量，在功率不变的前提下，提高了半导体激光装置的功率质量比。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种半导体激光装置，其特征在于，包括：

底板（2），底板（2）内安装有冷却通道（3），其中冷却通道（3）具有U型管，U型管具有两个直管段；

激光器阵列，激光器阵列包括若干个激光器单管（1）和小反射镜（5），激光器单管（1）并排安装在U型管的两个直管段之间的上方，小反射镜（5）并排安装在激光器单管（1）的相对位置，用于将激光器单管（1）发出的光照射到合束装置进行空间合束。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述激光器单管（1）排列的周期为3～10mm，所述冷却通道（3）的直径为1～12mm，所述冷却通道（3）中含有冷却介质，冷却介质的流量大于3升/分钟。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述小反射镜（5）沿第一方向安装在所述底板（2）上，沿第一方向所述小反射镜（5）与所述底板（2）之间的倾角相同，使得远离合束装置的小反射镜（5）射出的光不被相邻并且靠近合束装置的小反射镜（5）遮挡。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征在于，还包括热沉模块，热沉模块安装在所述底板（2）上，所述激光器单管（1）并排安装在热沉模块上。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述激光器阵列包括第一激光器阵列和第二激光器阵列，在所述底板（2）的一侧安装有第一大反射镜（61）和第二大反射镜（62），第一大反射镜（61）用于接收第一激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向，将光反射至第二大反射镜（62），第二大反射镜（62）用于透过第一大反射镜（61）射出的光，接收第二激光器阵列射出的光进行合束并改变光的传播方向。

6.根据权利要求5所述的一种半导体激光装置，其特征在于，还包括耦合透镜（7）和第三大反射镜（8），耦合透镜（7）和第三大反射镜（8）安装在所述底板（2）上，第三大反射镜（8）用于接收第一大反射镜（61）和第二大反射镜（62）射出的光，改变光的传播方向，将光反射至耦合透镜（7），耦合透镜（7）用于将光耦合进光纤。

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述激光器阵列的数量为多个，所述激光器阵列相互之间存在间隔空间，在间隔空间投影在所述底板（2）的底部设置有凹槽（4），凹槽（4）与所述冷却通道（3）在空间上相离。

8.根据权利要求6所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述耦合透镜（7）为单个透镜或透镜组。

9.根据权利要求7所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述凹槽（4）的数量为多个，所述凹槽（4）之间留有支撑壁（9）。

10.根据权利要求7所述的一种半导体激光装置，其特征在于，所述凹槽（4）的横截面为三角形、长方形或圆形。