CN114586251A - 用于高功率激光装置的封装 - Google Patents

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2019年10月16日提交的美国专利申请序列号16/654,339的利益和优先权，该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(laser diode bars)，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。WBC方法已经被开发出来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，其用色散元件组合起来以形成多波长光束。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日提交的美国专利号6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利号6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利号8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利号8,559,107中详述了示例WBC系统，每件专利的全部公开内容通过引用包含于此。

虽然诸如WBC的技术已经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已经导致了对越来越高的激光输出功率水平的需求。通常，较高的激光功率涉及以越来越高的电流驱动激光二极管，这导致较高的操作温度和随之而来的热管理问题，其目的在于防止基于温度的可靠性问题。已经利用高度导热的底座来封装高功率激光系统的激光器，底座可限定封闭通道以便冷却液在其中流动，例如如在2015年3月24日提交的美国专利号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未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，有必要为高功率激光器改进封装系统，以解决此类设备的热、机械和电气的需要。

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致力于提高装置的机械、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件式阳极冷却器为特征；阳极冷却器的两个部分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(和/或与之热接触和/或与之直接机械接触)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。冷却流体向顶部阳极冷却器的该部分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点温度，从而提供装置的提高的可靠性和/或实现激光发射器在高电流水平下运行，以获得较高功率输出。

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来并撞击至顶部阳极冷却器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，撞击表面可引入立柱、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，从而改进上述激光发射器的冷却。在各种实施方式中，加强立柱形成于底部阳极冷却器中。例如，立柱可以形成并突出在底部阳极冷却器中形成的通孔或喷嘴上方，以形成冷却流体喷射流。

在各种实施方式中，顶部和底部阳极冷却器或其至少与冷却流体直接接触的部分包括、基本上由或由一种或多种材料组成，其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。例如，本发明的实施方式可利用以大约10米/秒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/或腐蚀常规散热材料，例如铝或铜。这些材料也可优选地在具有机械强度和刚性以抵抗在操作、封装和存储期间的变形，并且至少是稍微导电的。材料还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4ppm或从大约6ppm到大约10ppm的CTE。在各种实施方式中，顶部或底部阳极冷却器中的一个具有范围从大约0.5ppm到大约4ppm(或从大约2ppm到大约4ppm)的CTE，而另一个具有从大约6ppm到大约10ppm(或从大约6ppm到大约8ppm)的CTE。

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、基本上由或由一种或多种材料组成，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)(例如单晶SiC)。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、基本上由或由另一材料组成，例如铝、铜或不锈钢，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。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器和底部阳极冷却器包括、基本上由或由不同材料组成。例如，在各种实施例中，顶部阳极冷却器包括、基本上由或由SiC组成，而底部阳极冷却器包括、基本上由或由铝组成。在各种实施方式中，顶部和/或底部阳极冷却器电绝缘和/或不包括、基本上不由或不由一种或多种金属组成。此实施方式的一个优势是消除了通过阳极冷却器的、可能损坏正被冷却的光束发射器的杂散电荷传导。

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·^-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量化激光束的质量以及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”质量对应于为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，其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，即光发射自它的表面而不是它的边缘；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1微米(μm)×100微米的量级的尺寸。沿着1微米维度或快轴的光束质量通常是衍射限制的。沿着100微米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4毫米(mm)的量级的激光谐振器长度，且是大约10毫米宽，并生成数十瓦的输出功率。大部分二极管线阵在从780到1070纳米(nm)的波长区域中操作，808纳米(对于泵浦钕激光器)和940纳米(对于泵浦Yb：YAG)的波长是最显著的。915-976纳米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、光栅等中的任一者。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束光束的多束光束发射器，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，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包括以下一种或多种不同的组合。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、基本上由或由下列项组成：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、基本上由或由下列项组成：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未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流入线路，以及(ii)用于引导冷却流体从混合通道的远端出来的流出线路。混合通道可具有从大约0.01毫米到大约30毫米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0.1毫米到大约8毫米的范围。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0.025毫米到大约5毫米的范围。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、基本上由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。聚焦光学器件将多束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束光束锁定到它的单独波长。不同光束的波长可不同于彼此。底部阳极冷却器限定至少部分地穿过其的多个端口，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包括以下一种或多种不同的组合。色散元件可包括、基本上由或由衍射光栅(例如反射光栅或透射光栅)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、基本上由或由下列项组成：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、基本上由或由下列项组成：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包括以下一种或多种不同的组合。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、基本上由或由下列项组成：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、基本上由或由下列项组成：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0.01毫米到大约30毫米的范围选择的高度。端口的中心至中心的间距可选自大约0.1毫米到大约8毫米的范围。至少其中一个端口的直径(或其它横向尺寸，例如宽度或长度)可选自大约0.025毫米到大约5毫米的范围。混合通道的高度与至少其中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、基本上由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。聚焦光学器件将多束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包括以下一种或多种不同的组合。色散元件可包括、基本上由或由衍射光栅(例如反射光栅或透射光栅)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、基本上由或由下列项组成：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未接触激光器平台。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。

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、基本上由或由下列项组成：底部阳极冷却器和顶部阳极冷却器。底部阳极冷却器具有(i)顶部表面，(ii)与该顶部表面相对的底部表面，(iii)限定在底部表面中的进入凹部，(iv)限定在顶部表面中的顶部凹部，和(v)流体连接进入凹部和顶部凹部的多个中空端口，冷却流体穿过其中以形成喷射流。顶部阳极冷却器被布置在底部阳极冷却器的上方。顶部阳极冷却器被布置在底部阳极冷却器的仅一部分的上方。顶部阳极冷却器可与底部阳极冷却器直接机械接触。顶部阳极冷却器可通过附接材料直接附接至底部阳极冷却器。顶部阳极冷却器具有(i)顶部表面和(ii)与顶部表面相对的底部表面。该底部表面包括、基本上由或由撞击表面组成，该撞击表面限定出伸入底部阳极冷却器的顶部凹部中的非平坦的图案，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顶部激光器平台上顶部表面上的激光发射器。

本发明的实施方式可以包括以下一种或多种不同的组合。底部阳极冷却器和/或顶部阳极冷却器中的至少一部分可包括、基本上由或由下列项组成：铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC(碳化钨)、氧化铝、莫来石、金刚石和/或SiC。顶部阳极冷却器的导热率可大于底部阳极冷却器的导热率。非平坦图案可包括、基本由或由多个凸起部组成。底部阳极冷却器可限定位于端口的开口之间的多个凸起的立柱。该封装可包括布置在顶部阳极冷却器上方的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可垂悬并且未接触顶部阳极冷却器的顶部表面。阴极冷却器可未构造成用于供冷却流体流动经过。顶部阳极冷却器可未构造成用于供冷却流体流动经过。

非平坦的图案可与端口的开口间隔开以形成用于冷却流体的混合通道。该混合通道的高度选自约0.025毫米至约50毫米的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约0.1至约30的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约8至约30的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约0.1至约2的范围。端口的中心至中心的间距选自约0.1毫米到约8毫米的范围。至少其中一个端口的直径(或其他横向尺寸比如宽度或长度)可选自约0.025毫米至约5毫米的范围。顶部阳极冷却器的顶部表面的面积、长度和/或宽度可小于底部阳极冷却器的顶部表面的面积、长度和/或宽度。底部阳极冷却器在其内限定出排出通道，该排出通道流体连接顶部凹部和限定在底部阳极冷却器的底部表面中的排出开孔并且与进入凹部间隔开。附接材料可将顶部阳极冷却器的的底部表面的一部分(例如边缘部分中的至少一些)附接至底部阳极冷却器的顶部表面的一部分。附接材料可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：粘接剂、焊料和/或钎料。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约0.5ppm至约12ppm的范围。底部阳极冷却器可包括、基本由或由氧化铝组成和/或顶部阳极冷却器可包括、基本由或由SiC组成。顶部阳极冷却器和/或底部阳极冷却器可电绝缘。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、基本上由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。聚焦光学器件将多束光束聚焦和/或会聚到色散元件上。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。底部阳极冷却器具有(i)顶部表面，(ii)与该顶部表面相背的底部表面，(iii)限定在底部表面中的进入凹部，(iv)限定在顶部表面中的顶部凹部，和(v)流体连接进入凹部和顶部凹部的多个中空端口，冷却流体穿过其中以形成喷射流。顶部阳极冷却器被布置在底部阳极冷却器的上方。顶部阳极冷却器被布置在底部阳极冷却器的仅一部分的上方。顶部阳极冷却器可与底部阳极冷却器直接机械接触。顶部阳极冷却器可通过附接材料直接附接至底部阳极冷却器。顶部阳极冷却器具有(i)顶部表面和(ii)与顶部表面相背的底部表面。光束发射器被布置在顶部阳极冷却器的顶部表面的竖向上方或上方。该底部表面包括、基本上由或由撞击表面组成，该撞击表面限定出伸入底部阳极冷却器的顶部凹部中的非平坦的图案，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激光发射器。

本发明的实施方式可以包括以下一种或多种不同的组合。色散元件可包括、基本上由或由衍射光栅(例如反射光栅或透射光栅)组成。底部阳极冷却器和/或顶部阳极冷却器中的至少一部分可包括、基本上由或由下列项组成：铜、铝、不锈钢、CuW、钨、WC(碳化钨)、氧化铝、莫来石、金刚石和/或SiC。顶部阳极冷却器的导热率可大于底部阳极冷却器的导热率。非平坦图案可包括、基本由或由多个凸起部组成。底部阳极冷却器可限定位于端口的开口之间的多个凸起的立柱。激光系统可包括布置在顶部阳极冷却器上方的阴极冷却器。阴极冷却器的一部分可垂悬并且不会接触顶部阳极冷却器的顶部表面。阴极冷却器可不会被构造用于供冷却流体流动经过。顶部阳极冷却器可不会被构造用于供冷却流体流动经过。

非平坦的图案可与端口的开口间隔开以形成用于冷却流体的混合通道。该混合通道的高度选自约0.025毫米至约50毫米的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约0.1至约30的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约8至约30的范围。混合通道的高度与至少其中一个端口的直径的比值可选自约0.1至约2的范围。多个端口的中心至中心的间距选自约0.1毫米到约8毫米的范围。至少其中一个端口的直径(或其他横向尺寸比如宽度或长度)可选自约0.025毫米至约5毫米的范围。顶部阳极冷却器的顶部表面的面积、长度和/或宽度可小于底部阳极冷却器的顶部表面的面积、长度和/或宽度。底部阳极冷却器在其内限定出排出通道，该排出通道流体连接顶部凹部和限定在底部阳极冷却器的底部表面中的排出开孔并且与进入凹部间隔开。附接材料可将顶部阳极冷却器的的底部表面的一部分(例如边缘部分中的至少一些)附接至底部阳极冷却器的顶部表面的一部分。附接材料可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：粘接剂、焊料和/或钎料。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约0.5ppm至约12ppm的范围。底部阳极冷却器可包括、基本由或由氧化铝组成和/或顶部阳极冷却器可包括、基本由或由SiC组成。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。顶部阳极冷却器和/或底部阳极冷却器可是电绝缘的。

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件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的两件式阳极冷却器和阴极冷却器的激光器封装的透视图；

图3A至图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8A是根据本发明的实施方式的激光发射器的两件式阳极冷却器的分解横截面图；

图8B是根据本发明的实施方式的激光发射器的两件式阳极冷却器的分解横截面图；

图8C是根据本发明的实施方式的激光发射器的两件式阳极冷却器的横截面图；

图8D是根据本发明的实施方式的顶部阳极冷却器的透视图；

图8E是根据本发明的实施方式的底部阳极冷却器的透视图；和

图9是引入根据本发明的实施方式的封装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描绘根据本发明的实施方式的两件式阳极冷却器100。如图所示，冷却器100包括、基本上包括或由位于底部阳极冷却器120的上方的顶部阳极冷却器110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的尺寸和形状可容纳所需的激光发射器(例如二极管线阵)。如图所示，平台130可以在激光发射器的预期发射方向上稍微高出顶部阳极冷却器的其它部分之上。在其他实施方式中，顶部阳极冷却器110的顶部表面基本上是平坦的，平台130为平坦表面的一部分。顶部阳极冷却器110还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，从而形成整体的一件式阳极冷却器。在此实施方式中，顶部阳极冷却器110可以未限定有用于容置螺钉或其他紧固件的通孔或开口。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的特征的单件式阳极冷却器代替；可由金属或其他材料的实心件用机器加工出这样的单件式冷却器。因此，在本文提到的“顶部阳极冷却器”和“底部阳极冷却器”，在各种实施方式中，可以认为是指整体的“阳极冷却器”的相应部分，该阳极冷却器要么由单件材料用机器加工出，要么是制作成多件，(例如通过焊接、软钎焊或硬钎焊等)基本上永久地固定在一起。

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)流动经过该冷却喷射器的阵列，射至激光发射器正下方的顶部阳极冷却器110的撞击表面。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、基本上由或由另一种材料组成，例如铝、铜或不锈钢，并且顶部阳极冷却器110和/或底部阳极冷却器120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、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。顶部阳极冷却器110和/或底部阳极冷却器120的全部或部分可以是电绝缘的。

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、基本由或由不同材料组成。例如，在各种实施例中，顶部阳极冷却器110包括、基本由或由SiC(例如单晶SiC)组成，而底部阳极冷却器120包括、基本上由或由氧化铝组成。顶部阳极冷却器和底部阳极冷却器采用不同的材料可在本发明的各种实施方式中提供一项或多项优势。例如，在各种实施方式中，期望顶部阳极冷却器110具有高导热率，而底部阳极冷却器120具有较低的导热率。(例如，在各种实施方式中，单晶SiC冷却器的导热率(其可能取决于温度)在300至400W·m^-1·K^-1之间变化或者甚至更高(例如达到约500W·m^-1·K^-1)，而氧化铝冷却器的导热率在5至30W·m^-1·K^-1之间变化)。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110的导热率比底部阳极冷却器120的导热率大2倍或更多、5倍或更多、甚至10倍或更多。在其中顶部阳极冷却器110的导热率超过底部阳极冷却器120的导热率的实施例中，可以实现对光束发射器的优异热控制，因为顶部阳极冷却器110可以轻松地将热量从光束发射器传导走，而底部阳极冷却器120本身更能抵抗由来自光束发射器、顶部阳极冷却器110或流过其中的冷却流体(其可能已经从如本文所述射束发射器吸收热量)的热量引起的温度波动(以及随之而来的机械应力和/或变形)。

在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110包括、基本上由或由半导体材料和/或具有高电阻的材料(例如SiC)组成，以例如防止在顶部和底部阳极冷却器之间的附接位置处(其在各种实施方式中可包括、基本上由或由铜焊或焊料结合附接)产生电化学腐蚀效应。顶部阳极冷却器110还可理想地具有高机械强度以允许其厚度减小或最小化，以最大化冷却流体的冷却效应，同时保持对顶部阳极冷却器110下方的冷却流体压力的抗弯性。这样的弯曲可能导致激光设备中的“微笑”缺陷，并伴随激光设备运行所在的激光系统的性能和/或效率损失。

如上文所述，在各种实施方式中，底部阳极冷却器120包括、基本上由或由具有低导热率的材料(例如氧化铝)组成。底部阳极冷却器120的低导热率可防止由于冷却流体的低温度而导致的激光器装置的弯曲或变形(以及由此导致的功率不稳定)。在本发明的各种实施方式中，底部阳极冷却器120包括、基本上由或由陶瓷材料组成，因为此种材料可通过例如注塑成型或增材制造技术例如三维打印而被成型为复杂的形状。

图2描绘激光器封装150，其包括图1的两件式阳极冷却器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)上的阴极冷却器200。阴极冷却器200可通过从激光发射器传导出额外的热量来改善封装装置的热性能。阴极冷却器200还可提高封装装置的机械稳定性，从而最小化或显著消除在封装、老化和/或运行期间激光发射器的变形。阴极冷却器200可被动地冷却或可引入使冷却流体通过的一个或多个内部通道。即虽然在一些实施方式中，阴极冷却器200可构造成使冷却流体通过，但是在其他实施方式中，阴极冷却器200可为实心的并且构造为不接受或不使冷却流体通过。在各种实施方式中，阴极冷却器200构造成其上不收纳发射器，即阴极冷却器200可不包括激光发射器平台，并且可不被形状设计为、成形为和/或构造为在其上附接另一个激光发生器。如图所示，阴极冷却器200可具有顶部和/或底部表面，该顶部和/或底部表面的面积、长度和/或宽度均小于底部阳极冷却器120的面积、长度和/或宽度。即在各种实施方式中，阴极冷却器200不会覆盖整个底部阳极冷却器120和/或顶部阳极冷却器110和/或与底部阳极冷却器120和/或顶部阳极冷却器110具有不同的尺寸。

阴极冷却器200可包括、基本上由或由上述为顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120指定的一种或多种材料组成，或可包括、基本上由或由一种或多种额外的材料(例如铝、铜、不锈钢)组成，其涂覆有为顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120指定的一种或多种材料或涂覆有一种或多种其他材料。在其它实施方式中，阴极冷却器200可包括、基本上由或由铜(例如未涂覆的铜)制成。在各种实施方式中，阴极冷却器200可包括、基本上由或由如上文针对于顶部和底部阳极冷却器110、120所描述的电绝缘材料所组成。

图3A、图3B和图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。如图所示，底部阳极冷却器120可以大体上是直线型，且可以有一个或多个通孔300，以用于将底部阳极冷却器120连接至顶部阳极冷却器110和/或下层基底或底座或激光系统中的其它硬件。底部阳极冷却器120的顶部表面的至少一部分310限定有开口(或“端口”)320的阵列，冷却流体通过这些开口引向顶部阳极冷却器110——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可以大体呈圆柱形的，且开口320的横截面面积在其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0.1毫米到大约8毫米。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0.025毫米到大约5毫米。底部阳极冷却器120的主动冷却部分310可以是大体呈矩形的，并可与底部阳极冷却器120的顶表面的其余部分基本齐平。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的顶表面的其余部分向上延伸例如大约0.1毫米到大约5毫米。在其他实施方式中，主动冷却部分(至少开口320)在底部阳极冷却器120的顶表面的其余部分之下凹入例如约0.025毫米至约50毫米。

底部阳极冷却器120也具有用于供冷却流体的进出的通路330，该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返回(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，冷却流体流入、流经和流出底部阳极冷却器120液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朝上但在图4中朝下)的端部与冷却流体流向的撞击表面(例如顶部阳极冷却器的撞击表面的至少一部分)间隔了距离z₀。在开口320和撞击表面之间的该距离z₀定义出在底部阳极冷却器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、在大约0.1和大约2之间、在大约0.1和大约1之间、在大约1和大约2之间、在大约8和大约30之间、在大约8和大约10之间、在大约10和大约30之间、在大约15和大约30之间、在大约20和大约30之间。在各种实施方式中，已发现喷嘴距离与喷嘴直径的这样的比值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湍流、混合和冷却作用不足。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和图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大体上是平面的顶部平台130。在激光发射器平台130之下，顶部阳极冷却器110可限定凹部500，其用于在顶部和底部阳极冷却器贴在一起时接收底部阳极冷却器120的主动冷却部分310。下部502的尺寸和形状设计为可以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。在各种实施方式中，下部520的厚度503大致等于主动冷却部分310突出于在底阳极冷却器120的顶表面的剩余部分高度。凹部510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撞击表面510，以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。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的范围为大约0.1毫米到大约5毫米。

如图5B和图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，以有效地形成撞击表面510的变薄、成形区。在其他实施方式中，凹坑530可朝下远离激光发射器。凹坑530(或其它形状)可具有例如在0.001毫米和1.8毫米之间的高度540。虽然凹坑530在图5D中描绘为圆形的且以规则图案分布，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。这些立柱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的厚度(其可例如成形或以另外方式变薄以提高冷却流体喷射流的热性能)。在各种实施方式中，在顶部阳极冷却器110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(例如抗变形能力)。根据各种实施方式，这些立柱550可具有范围从大约0.01毫米到大约6.2毫米的立柱高度560(即，高于撞击表面的周围部分的距离)。这些立柱550可具有范围从大约0.045毫米到大约6毫米的立柱宽度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0.25毫米到大约3.6毫米。虽然立柱550在图5D中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为特征以便于接合顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120。在各种实施方式中，除了形成在顶部阳极冷却器110中，或代替形成在顶部阳极冷却器110中，一个或多个立柱550可形成在底部阳极冷却器120中。

图6A和图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是图6A沿线6B-6B的截面图，以及图6D是图6C沿线6D-6D的截面图。如图6A所示，顶部阳极冷却器100的撞击表面510可修改成形成按间距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0.01毫米和大约2.8毫米之间。如图6C所示，顶部阳极冷却器100的撞击表面510可修改以形成升高(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可以在横截面上大体呈正方形的或矩形的，并且可以规则图案或网格布置。在其他实施方式中，所有的立柱620或其中一些立柱620可具有其他的横截面形状(例如圆形、多边形等)。在各种实施方式中，立柱620中的一个或多个的尺寸可沿其厚度(即高度)改变。例如，立柱620中一个或多个的尺寸可朝着远离激光器平台130的方向增加或减小。每个立柱620的宽度(或其它横向尺寸)的范围可以在例如0.1毫米和5毫米之间。在相邻立柱620之间的间距的范围可以在例如0.1毫米和5毫米之间。图6A和图6C的实施方式也可以以如在上面所述和在图5B-图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的透视图的组装好的激光器封装150的截面图/侧视图。如图所示，激光器封装150以顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120以及覆盖的阴极冷却器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120出现并射到顶部阳极冷却器110的撞击表面510的冷却流体喷射流来冷却。如在图7所示的，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。

图8A至图8C示出了根据本发明的各种实施方式的另一两件式阳极冷却器100。如图所示，在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110未在其中限定凹部。替代地，如图8A至图8C所示，顶部阳极冷却器110的顶部表面和底部表面除了全部或一部分碰撞表面510之外可基本呈平坦的，该碰撞表面以多个凸起部比如立柱620的阵列为特征。也就是说，顶部阳极冷却器110的全部或一部分顶部表面可为激光器平台130，且该激光器平台130可与顶部阳极冷却器110的顶部表面的任何其他部分是基本共面的。在这些实施方式中，顶部阳极冷却器110可构造为(例如尺寸和形状设计为)覆盖和/或密封限定在冷却流体端口320的顶部开口上方的底部阳极冷却器120内的凹部800。由此，在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的任何部分均未被顶部阳极冷却器110的任何部分所包围或装配。在各种实施方式中，凹槽800(例如位于底部阳极冷却器120的顶部表面处)的长度和/或宽度可例如从大约0.5毫米变至大约50毫米、或从大约3毫米变至大约50毫米、或从大约3毫米变至大约30毫米、或从大约10毫米变至大约30毫米、或从大约5毫米变至大约30毫米、或从大约5毫米变至大约20毫米、或从大约1毫米变至大约20毫米。在各种实施方式中，凹部800的顶部的长度与其宽度不同，而在其他实施方式中，长度和宽度基本上彼此相等。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110的顶部表面的长度和/或宽度比凹部800的长度和/或宽度大大约20％、约30％、约50％、约100％。

在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110可通过附接材料810附接至底部阳极冷却器120，该附接材料可包括、基本上由或由例如粘合剂、焊料和/或钎料组成。在其他实施方式中，如在之前的图中所示，顶部阳极冷却器110可通过一个或多个螺钉或其他紧固件附接至底部阳极冷却器120。(如图8B所示，顶部阳极冷却器110的顶部表面还可以在其上引入附接材料(比如描述用于附接材料810的那些材料中的任意材料)，以供激光发射器附接其上)。

还如在图8A至图8C中示出，底部阳极冷却器120可限定出用于容置冷却流体(例如来自外部容器或换热器)的下凹部820。冷却流体从下凹部820流入端口320以形成撞击至顶部阳极冷却器110的撞击表面510的冷却流体喷射流。由此，在本发明的各种实施方式中，冷却流体端口将下凹部820流体连接至上凹部800。即在各种实施方式中，冷却流体端口不会一直延伸直至底部阳极冷却器120的顶部表面和/或底部表面。此实施例可在冷却流体端口的下方和上方提供冷却流体的有益混合并且得到优异的热控制。

在冷却流体对激光器平台130上的激光发射器进行冷却之后，其可经由一个或多个流出通道830流出底部阳极冷却器120。如图所示，流出通道830可仅部分相交于凹部800；即流出通道830的远离凹部800的直径(或宽度或其他横向方向)可大于将流出通道830与凹部800实际流体连接的流出通道830的末端的尺寸。此实施例可有益地减缓通过流出通道830的排出速率，以确保凹部800内的有效混合和冷却。在各种实施方式中，流出通道830的横截面面积大于或几乎等于端口320的横截面积的总和，以收纳来自其的冷却流体流。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120可被安装在和/或附接至底座平台(例如用于其上均带有激光发射器的多个不同阳极冷却器120的底座)，下凹部820可流体连接至流体源(例如底座平台中的供给管路或端口)，而流出通道830可流体连接至流体槽(例如底座平台中的流体管路或端口)。下凹部820和/或流出通道830可例如通过O形环或其他密封机构密封至底座平台，以防止冷却流体的泄露。如图8A至图8C所示，在冷却过程中，冷却流体可在其底部(即从端口320)流入凹部800，并且可在其侧表面处流出凹部800，从而最大化由端口形成的冷却喷射流的可用面积。

在各种实施方式中，多个端口320的中心至中心的间距可例如从大约0.1毫米至大约8毫米。在各种实施方式中，端口320的直径(或宽度)可例如从大约0.25毫米至大约5毫米。在各种实施方式中，立柱620(和/或从顶部阳极冷却器110的底部表面伸出的其他特征)的高度例如从大约0.01毫米至大约15毫米。虽然在图8A至图8C中未示出，但是在各种实施方式中，在图8A至图8C中示出的阳极冷却器100也可利用在其上的阴极冷却器200。

如图所示，顶部阳极冷却器110可相当薄，并且由此底部阳极冷却器120可在其内限定出前凹陷840，以容置由顶部阳极冷却器120的顶端的激光发射器发出的(多条)光束(例如其发散)。即在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的顶部表面可为基本平坦的(除了其内形成的凹部800以及任意通孔300)，除了在发射光束的方向上定位在顶部阳极冷却器110的前方的前凹陷840。底部阳极冷区器120的位于前凹陷840的顶端处的边缘还能够有益地为光束发生器和/或与之相关联或紧固其上的光学器件提供对齐表面。在前凹陷840中，底部阳极冷却器120的顶部表面可在顶部表面下方下凹例如约0.025毫米至约20毫米。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的位于前凹陷840的区域中的厚度比底部阳极冷却器120的剩余部分的厚度例如小约85％、小约75％或小约50％。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的位于前凹陷840的区域中的厚度可为底部阳极冷却器120的剩余部分的厚度的例如至少40％、至少50％、至少60％或至少70％。

如图所示，顶部阳极冷却器110可具有外部，其覆盖并且可附接至底部阳极冷却器120的顶部表面。外部可包围碰撞表面(例如，比如立柱和/或凹坑等特征)布置其上的内部。顶部阳极冷却器110的外部的厚度可从例如约0.05毫米至约5毫米、从约0.05毫米至约2毫米、从约0.5毫米至约2毫米或从约1毫米至约5毫米。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110的内部的厚度约等于外部的厚度，除了碰撞特征会从内部伸出一定距离，该距离可从例如约0.05毫米至约5毫米、从约0.05毫米至约2毫米、从约0.5毫米至约2毫米或从约1毫米至约5毫米。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的厚度或高度(至少限定凹部800的部分和/或除了前凹陷840的部分)明显厚于顶部阳极冷却器110的厚度和/或高度。此实施例有益地允许在底部阳极冷却器120内形成强冷却喷射流，同时最小化使光束发射器生成的热量经其被导走的材料的厚度。例如，底部阳极冷却器120的厚度可例如从约0.8毫米至约35毫米、从约5毫米至约35毫米、从约10毫米至约35毫米、从约20毫米至约35毫米。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的厚度可超出顶部阳极冷却器110的厚度(例如其内部或其外部)约50％、约100％、约200％、约300％、约400％、约500％或者甚至约700％。

顶部阳极冷却器110的一个或多个尺寸(例如长度和/或宽度)和/或表面积可小于底部阳极冷却器120的(多个)对应尺寸和/或表面积。例如，在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110的(例如在平行于由激光发射器朝向前凹陷840发射的光束的方向上)长度可比底部阳极冷却器120(和/或其顶部表面)的对应长度小75％、小50％、小40％、小30％或者甚至小20％。在各种实施方式中，顶部阳极冷却器110的长度和/或宽度可例如为从约2毫米至约50毫米、从约2毫米至约20毫米、从约2毫米至约10毫米或从约10毫米至约20毫米。

在各种实施方式中，底部阳极冷却器120(例如其顶部和/或底部表面)的长度(即在图8C中示出的尺寸)比顶部阳极冷却器110的长度大约至少50％、至少100％、至少150％、至少200％、至少300％、至少400％或至少500％。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的长度可例如从约10毫米至约75毫米或从约20毫米至约75毫米、从约30毫米至约75毫米或从约40毫米至约75毫米。

在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的宽度(即伸入图8页面中的尺寸)比顶部阳极冷却器110的宽度大约至少10％、至少25％、至少50％、至少100％、至少150％、至少200％、至少300％、至少400％或至少500％。在各种实施方式中，底部阳极冷却器120的宽度可例如为从约2毫米至约55毫米、从约3毫米至约55毫米、从约5毫米至约55毫米、从约10毫米至约55毫米或从约20毫米至约55毫米。

在各种实施例中，顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120不带限定在其中的任何通道(例如，流体通道)，其定向用于冷却流体的基本平行于顶部阳极冷却器110和底部阳极冷却器120的顶部和/或底部表面的流动。并且如图所示，在各种实施例中，顶部阳极冷却器110中可能根本不带任何流体通道。因此，本发明的各种实施例与具有此通道的冷却器相比可以提供优异的机械强度。

图8D是在图8A至图8D中示出的顶部阳极冷却器110的下侧的视图。如图所示，在各种实施方式中，碰撞表面510(或“内部”)可具有与底部阳极冷却器120中凹部800的开口的几乎相同的尺寸和形状，并且可包括一个或多个(通常多个)突出特征，比如立柱620，以增强指向其上的冷却流体喷射流的冷却效应。如上文所述，碰撞表面510可在其他方面与顶部阳极冷却器110的底部表面的外边缘(或“外部”)840基本共面；但是，在各种实施方式中，碰撞表面510不与外边缘840共面，即碰撞表面510可在外边缘840朝下方或上方突伸出。如图8A和图8B所示，外边缘840可接收附接材料810，并且可由此将顶部阳极冷区器110附接至底部阳极冷却器120。在各种实施方式中，碰撞表面510(和/或其上的任意突出特征)可包括、基本由或由不同于外边缘840和/或顶部阳极冷却器110的另一个部分(例如其顶部表面)的材料的材料组成。

在各种实施方式中，碰撞表面510不包括突出特征，即碰撞表面510可为基本平坦的。虽然此种实施例更易加工，但是不带突出特征或其他非平坦的图案会降低碰撞至碰撞表面510的冷却喷射流的冷却功效。

图8E是根据本发明的各种实施方式的底部阳极冷却器120的俯视透视图。如图所示，限定于凹槽800内的为例如位于成排的端口320之间的一个或多个立柱550。如上文所述，立柱550可为阳极冷却器100提供增强的机械强度。在各种实施方式中，立柱550延伸穿过凹部800的整个尺寸(例如长度和/或宽度)，而在其他实施方式中，立柱仅部分延伸穿过凹部800的对应尺寸。虽然立柱550延伸高出端口320的开口，但是在典型的实施例中，立柱550不会一直延伸到底部阳极冷却器120的顶部表面(即高出凹部800)，并且在各种实施方式中，立柱550在端口320和从碰撞表面510伸出的特征之间仅延伸部分距离，以不阻挡或以其他方式延缓冷却流体在凹部800内的流动。

在各种实施方式中，底部阳极冷却器120中的立柱550形成或有助于形成用于来自凹部800的冷却流体经由流出通道830流动的流出通道。带有这些立柱550可有助于防止靠近底部阳极冷却器120的前方的端口320(或“前端口”)和靠近流出通道830的端口320(或“后端口”)之间的压力发生较大变化，因为冷却流体将会流过较大面积，由此导致在更大面积上的较低的冷却流体速度。这种较低压力变化又反过来有利于在前端口和后端口之间形成更加均匀的流动，因为流动随着横穿端口的压降而变化。

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9描绘利用封装激光器905的示例性WBC激光系统900。封装激光器905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件式阳极冷却器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一个或多个流体喷射流。在图9的例子中，激光器905以具有发射光束910的四个光束发射器(见放大的输入视图915)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915中，每个光束910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920可用于沿着快维度准直每个光束910。可包括或基本上由一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜组成的变换光学器件925用于沿着WBC方向930组合每个光束910。变换光学器件925然后将所组合的光束重叠到色散元件935(其可包括、基本上由或由例如衍射光栅，诸如反射或透射衍射光栅组成)上，且所组合的光束然后作为单个输出轮廓传输至输出耦合器940。输出耦合器940然后传输组合光束945，如在输出前视图950上所示的。输出耦合器940通常是部分地反射的，并用作在该外腔系统900中的所有激光元件的公共前小面(facet)。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945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 (42)

1.一种激光器封装，包括：

底部阳极冷却器，其具有(i)顶部表面、(ii)与所述顶部表面相背的底部表面、(iii)限定在所述底部表面中的进入凹部、(iv)限定在所述顶部表面中的顶部凹部和(v)流体连接所述进入凹部和所述顶部凹部的、用于形成穿过其中的冷却流体的喷射流的多个中空端口；以及

顶部阳极冷却器，其布置在所述底部阳极冷却器的仅一部分之上，所述顶部阳极冷却器具有(i)顶部表面和(ii)与所述顶部表面相背的底部表面，所述底部表面包括限定有突入所述底部阳极冷却器的顶部凹部的非平坦的图案的撞击表面，由此引入到所述底部阳极冷却器内并经过端口喷射的冷却流体射至所述顶部阳极冷却器的撞击表面，以冷却位于所述顶部阳极冷却器的顶部表面的激光发射器。

2.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述顶部阳极冷却器的导热率大于所述底部阳极冷却器的导热率。

3.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述非平坦图案包括多个凸起部。

4.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述底部阳极冷却器限定出位于多个所述端口的开口之间的多个凸起的立柱。

5.根据权利要求1所述的激光器封装，还包括位于所述顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器(i)，其中所述阴极冷却器的一部分悬垂且未接触所述顶部阳极冷却器的顶部表面。

6.根据权利要求5所述的激光器封装，其中所述阴极冷却器未构造成供冷却流体流经其间。

7.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述顶部阳极冷却器未构造成供冷却流体流经其间。

8.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述非平坦图案与多个所述端口的开口间隔开，以形成用于冷却流体的混合通道。

9.根据权利要求8所述的激光器封装，其中所述混合通道的高度选自大约0.025毫米至大约50毫米的范围。

10.根据权利要求8所述的激光器封装，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约0.1至大约30的范围。

11.根据权利要求8所述的激光器封装，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约8至大约30的范围。

12.根据权利要求8所述的激光器封装，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约0.1至大约2的范围。

13.根据权利要求1所述的激光器封装，其中多个所述端口的中心至中心的间距选自大约0.1毫米至大约8毫米的范围。

14.根据权利要求1所述的激光器封装，其中至少一个所述端口的直径选自大约0.025毫米至大约5毫米的范围。

15.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述顶部阳极冷却器的顶部表面的面积小于所述底部阳极冷却器的顶部表面的面积。

16.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述底部阳极冷却器在其内限定有流出通道，所述流出通道将所述顶部凹部与限定在所述底部阳极冷却器的底部表面中的流出口流体连接并且与进入凹部间隔开。

17.根据权利要求1所述的激光器封装，还包括附接材料，所述附接材料将所述顶部阳极冷却器的底部表面的一部分附接至所述底部阳极冷却器的顶部表面的一部分。

18.根据权利要求17所述的激光器封装，其中所述附接材料包括粘接剂、焊料和/或钎料中的至少一种。

19.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述底部阳极冷却器包括氧化铝，且所述顶部阳极冷却器包括碳化硅。

20.根据权利要求1所述的激光器封装，其中所述顶部阳极冷却器和所述底部阳极冷却器是电绝缘的。

21.根据权利要求1所述的激光器封装，还包括位于所述顶部阳极冷却器的所述顶部表面的激光发射器，所述激光发射器包括构造成发射多束光束的激光二极管线阵。

22.一种波长光束组合激光系统，包括：

光束发射器，其发射分立的多束光束；

聚焦光学器件，其用于将所述多束光束聚焦向色散元件；

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，其定位成接收已色散的光束，通过其透射已色散的光束的一部分作为多波长输出光束，并将已色散的光束的第二部分反射回到所述色散元件；

底部阳极冷却器，其具有(i)顶部表面、(ii)与所述顶部表面相背的底部表面、(iii)限定在所述底部表面中的进入凹部、(iv)限定在所述顶部表面中的顶部凹部，和(v)流体连接所述进入凹部和所述顶部凹部的、用于形成穿过其中的冷却流体的喷射流的多个中空端口；和

顶部阳极冷却器，其布置在所述底部阳极冷却器的仅一部分之上，所述顶部阳极冷却器具有(i)顶部表面，所述光束发射器布置在所述顶部阳极冷却器的所述顶部表面的上方，和(ii)与所述顶部表面相背的底部表面，所述底部表面包括撞击表面，所述撞击表面限定有突入所述底部阳极冷却器的顶部凹部的非平坦的图案，由此引入到所述底部阳极冷却器内并经过端口喷射的冷却流体射至所述顶部阳极冷却器的撞击表面，以冷却光束发射器。

23.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。

24.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述顶部阳极冷却器的导热率大于所述底部阳极冷却器的导热率。

25.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述非平坦图案包括多个凸起部。

26.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述底部阳极冷却器限定出位于多个所述端口的开口之间的多个凸起的立柱。

27.根据权利要求22所述的激光系统，还包括位于所述顶部阳极冷却器之上的阴极冷却器(i)，其中所述阴极冷却器的一部分悬垂且未接触所述顶部阳极冷却器的顶部表面。

28.根据权利要求27所述的激光系统，其中所述阴极冷却器未构造成供冷却流体流经其间。

29.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述顶部阳极冷却器未构造成供冷却流体流经其间。

30.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述非平坦图案与多个所述端口的开口间隔开，以形成用于冷却流体的混合通道。

31.根据权利要求30所述的激光系统，其中所述混合通道的高度选自大约0.025毫米至大约50毫米的范围。

32.根据权利要求30所述的激光系统，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约0.1至大约30的范围。

33.根据权利要求30所述的激光系统，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约8至大约30的范围。

34.根据权利要求30所述的激光系统，其中所述混合通道的高度与至少一个所述端口的直径的比值选自大约0.1至大约2的范围。

35.根据权利要求22所述的激光系统，其中多个所述端口的中心至中心的间距选自大约0.1毫米到大约8毫米的范围。

36.根据权利要求22所述的激光系统，其中至少一个所述端口的直径选自大约0.025毫米至大约5毫米的范围。

37.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述顶部阳极冷却器的顶部表面的面积小于所述底部阳极冷却器的顶部表面的面积。

38.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述底部阳极冷却器在其内限定有流出通道，所述流出通道将所述顶部凹部与限定在所述底部阳极冷却器的底部表面中的流出口流体连接并且与进入凹部间隔开。

39.根据权利要求22所述的激光系统，还包括附接材料，所述附接材料将所述顶部阳极冷却器的所述底部表面的一部分附接至所述底部阳极冷却器的顶部表面的一部分。

40.根据权利要求39所述的激光系统，其中所述附接材料包括粘接剂、焊料和/或钎料中的至少一种。

41.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述底部阳极冷却器包括氧化铝，所述顶部阳极冷却器包括碳化硅。

42.根据权利要求22所述的激光系统，其中所述顶部阳极冷却器和所述底部阳极冷却器是电绝缘的。

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