CN115579727A - 半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体激光器，其中，所述半导体激光器包括底座、管壳、发光芯片及光纤，底座设有第一内腔，第一内腔填充有相变介质，相变介质用于吸收热量；管壳与底座的外壁连接，且管壳与底座的外壁围合形成有第二内腔；发光芯片设于底座的外壁，并位于第二内腔内；光纤固定于第二内腔腔壁，光纤的一端与发光芯片间隔设置，光纤的另一端穿过管壳并伸出管壳外；光纤位于发光芯片的输出光路上；其中，在发光芯片输出激光至光纤并发热时，相变介质通过底座与发光芯片接触换热。本发明技术方案不增加半导体激光器的结构复杂性的情况下，还能实现高效的冷却效果。

Description

半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光照明设备技术领域，特别涉及一种半导体激光器。

背景技术

半导体激光器在许多领域中有大量的运用，在其工作时会产生大量的热量，需要进行冷却，否则会导致半导体激光的效率降低、寿命缩短，严重时甚至会使半导体激光器出现损坏。

一般的冷却方法是将半导体激光器安装于散热片或底座上进行冷却，也可以将半导体激光器直接置于冷却液中进行直接冷却。为了达到更好的冷却效果，需要进行专门的散热片或底座设计，在进行冷却液进行直接冷却时，也需要专门的流道或流场设计和冷却循环系统，以实现高效均匀的冷却效果；但设置流道或流场和冷却循环系统的半导体激光器增加了半导体激光器的系统复杂性，给半导体激光器的使用带来不便，降低了半导体激光器工作时的可靠性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种半导体激光器，旨在不增加半导体激光器的结构复杂性的情况下，还能实现高效的冷却效果。

为实现上述目的，本发明提出的一种半导体激光器，所述半导体激光器包括：

底座，所述底座设有第一内腔，所述第一内腔填充有相变介质，所述相变介质用于吸收热量；

管壳，所述管壳与所述底座的外壁连接，且所述管壳与所述底座的外壁围合形成有第二内腔；

发光芯片，所述发光芯片设于所述底座的外壁，并位于所述第二内腔内；及

光纤，所述光纤固定于所述第二内腔腔壁，所述光纤的一端与所述发光芯片间隔设置，所述光纤的另一端穿过所述管壳并伸出所述管壳外；所述光纤位于所述发光芯片的输出光路上；

其中，在所述发光芯片输出激光至所述光纤并发热时，所述相变介质通过所述底座与所述发光芯片接触换热。

在一实施例中，所述半导体激光器还包括位于所述第二内腔的导光罩，所述导光罩的两端分别与所述发光芯片和所述光纤连接，所述导光罩位于所述发光芯片的输出光路。

在一实施例中，所述第二内腔的腔壁与所述导光罩的外壁之间填充有导热材料，所述导热材料用于将所述发光芯片散发的热量传递至所述底座和所述管壳。

在一实施例中，所述半导体激光器还包括光学耦合透镜，所述光学耦合透镜设于所述导光罩的内壁，用于对所述发光芯片输出的激光进行准直和聚集至所述光纤。

在一实施例中，所述导光罩的内壁设有反光膜。

在一实施例中，所述管壳包括：

外壳，所述外壳与所述底座的外壁连接；和

内壳，所述内壳与所述底座的外壁连接，并位于所述外壳内；且所述内壳的外壁、所述外壳的内壁及所述底座的外壁围合形成第三内腔，所述第三内腔填充有相变介质；所述内壳的内壁与所述底座的外壁围合形成所述第二内腔。

在一实施例中，所述发光芯片包括：

导热热沉，所述导热热沉设于所述底座的外壁，并位于所述第二内腔内；且所述导热热沉与所述光纤间隔设置；和

芯片本体，所述芯片本体设于所述导热热沉背向所述底座的一侧。

在一实施例中，所述导热热沉与所述芯片本体之间设有导热胶。

在一实施例中，所述第一内腔还填充有纳米材料，所述纳米材料和所述相变材料混合。

在一实施例中，所述半导体激光器还包括导热座，所述导热座与所述底座的外壁可拆卸连接，且所述导热座的外壁与所述底座的外壁贴合，并与所述管壳相背设置；所述导热座设有第四内腔，所述第四内腔填充有相变介质。

本发明技术方案的半导体激光器包括底座、管壳、发光芯片及光纤，底座设有第一内腔，第一内腔填充有相变介质，相变介质用于吸收热量；管壳与底座的外壁连接，且管壳与底座的外壁围合形成有第二内腔；发光芯片设于底座的外壁，并位于第二内腔内；光纤固定于第二内腔腔壁，光纤的一端与发光芯片间隔设置，光纤的另一端穿过管壳并伸出管壳外；光纤位于发光芯片的输出光路上；其中，在发光芯片输出激光至光纤并发热时，相变介质通过底座与发光芯片接触换热；发光芯片产生的热量可传递至底座，使得发光芯片通过底座间接与第一内腔的相变介质换热，并发生相变，使得相变介质可吸收从底座传递过来的热量，进而让相变介质对发光芯片实施冷却降温，降低了所述半导体激光器内部的温度，提高了半导体激光器工作的可靠性；半导体激光器在工作时无需专门冷却，在不工作时再实施冷却，使半导体激光器在工作时的冷却工作变得简单、高效，从而降低了半导体激光器的结构复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明半导体激光器的剖面示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种半导体激光器。

在本发明实施例中，参照图1，该半导体激光器包括底座10、管壳30、发光芯片40及光纤50，底座10设有第一内腔10a，第一内腔10a填充有相变介质20，相变介质20用于吸收热量；管壳30与底座10的外壁连接，且管壳30与底座10的外壁围合形成有第二内腔30a；发光芯片40设于底座10的外壁，并位于第二内腔30a内；光纤50固定于第二内腔30a腔壁，光纤50的一端与发光芯片40间隔设置，光纤50的另一端穿过管壳30并伸出管壳30外；光纤50位于发光芯片40的输出光路上；其中，在发光芯片40输出激光1至光纤50并发热时，相变介质20通过底座10与发光芯片40接触换热。

具体地，当发光芯片40通电发射激光1至光线，直至发光芯片40持续一段时间并产生热量后，由于发光芯片40与底座10的一侧外壁是直接连接，使得发光芯片40产生的热量可传递至底座10，使得发光芯片40通过底座10间接与第一内腔10a的相变介质20换热，此时相变介质20在吸收热量会发生相变，相变介质20在发生相变时，由于分子重新排列和分子热运动速度改变，相变介质20逐渐由固态变为液态，使得相变介质20可吸收从底座10传递过来的热量，进而让相变介质20对发光芯片40实施冷却降温，降低了所述半导体激光器内部的温度，保证了半导体激光器稳定地发出激光1，提高了半导体激光器工作的可靠性。

当相变介质20完全变为液态时，相变介质20就不再吸收热量。此时，半导体激光器停止工作，对半导体激光器的底座10和管壳30实施简单的冷却降温，带走相变介质20中的热量并使其变回到固态。这样周而复始，半导体激光器在工作时无需专门冷却，在不工作时再实施冷却，使半导体激光器在工作时的冷却工作变得简单、高效，提高了半导体激光器工作的可靠性，从而降低了半导体激光1器的结构复杂性。

值得说明的是，相变介质20在吸收热量后除了发生相变外，相变介质20的本质并不会改变，因而相变介质20在第一内腔10a内性质比较稳定，不容易对底座10和发光芯片40有实质影响。底座10和管壳30均采用导热材料70制成，便于传递热量。

参照图1，半导体激光1器还包括位于第二内腔30a的导光罩60，导光罩60的两端分别与发光芯片40和光纤50连接，导光罩60位于发光芯片40的输出光路。

具体地，通过在发光芯片40与光纤50之间设置导光罩60，当发光芯片40发射激光1时，激光1可被导光罩60的内壁反复反射至光纤50上，不容易扩散在其他位置，使得发光芯片40发射的激光1能更好地传输至光纤50上，增大半导体激光器的出光量。

可选地，导光罩60是长条状壳体，导光罩60的内壁可设置多根细长的导光线，如此设置，通过多根导光线能将激光1更容易集中传输至光纤50，进一步增大半导体激光1器的出光量。

参照图1，第二内腔30a的腔壁与导光罩60的外壁之间填充有导热材料70，导热材料70用于将发光芯片40散发的热量传递至底座10和管壳30。

具体地，发光芯片40在通电发射激光1时，并不是所有的激光1都能传输至光纤50处，未被传输至光纤50处的激光1会形成一定量的热量；且光纤50的端部在高功率工作时也会产生一定量的热量；为了将未被传输至光纤50处的激光1而产生的热量和光纤50端部产生的热量散发至外界环境中，本实施例通过第二内腔30a的腔壁与导光罩60的外壁之间填充有导热材料70，利用导热材料70就可以使这些热量高效地传导至管壳30、底座10及相变材料处，如此，就可以散去内部热量，降低了半导体激光器内部的温度，提高了工作的可靠性，从而提高半导体激光器的散热效果。

参照图1，半导体激光1器还包括光学耦合透镜80，光学耦合透镜80设于导光罩60的内壁，用于对发光芯片40输出的激光1进行准直和聚集至光纤50。

具体地，光学耦合透镜80包括至少两个扩束镜，两个扩束镜层叠设置，扩束镜先对光束进行扩展，再将其聚焦，可以得到更小的焦点。扩束镜可以改善激光1光束的准直特性。如此，发光芯片40输出的激光1可通过两个扩束镜更容易聚集至光纤50处，增大半导体激光1器的出光量，提升半导体激光1器的出光效果。

进一步地，导光罩60的内壁设有反光膜。如此设置，当发光芯片40发射的部分激光1扩散至导光罩60的内壁时，激光1可通过反光膜反射回正常的输出光路上，继续前往光纤50处。

参照图1，管壳30包括外壳31和内壳32，外壳31与底座10的外壁连接；内壳32与底座10的外壁连接，并位于外壳31内；且内壳32的外壁、外壳31的内壁及底座10的外壁围合形成第三内腔30b，第三内腔30b填充有相变介质20；内壳32的内壁与底座10的外壁围合形成第二内腔30a。

具体地，通过将管壳30设置为内壳32和外壳31配合的双层壳体，并在外壳31与内壳32之间的第三内腔30b设置相变介质20，使得未被传输至光纤50处的激光1而产生的热量和光纤50端部产生的热量可被第三内腔30b的相变介质20吸收热量，进一步提升管壳30的散热效果。

在其他实施例中，管壳30还可设置多层内壳32与一层外壳31配合，多层内壳32与一层外壳31依次层叠设置，进而提升管壳30的散热效果。内壳32的设置数量在此不作具体限定，可根据实际的散热需求而设定。

参照图1，发光芯片40包括导热热沉41和芯片本体42，导热热沉41设于底座10的外壁，并位于第二内腔30a内；且导热热沉41与光纤50间隔设置；芯片本体42设于导热热沉41。

导热热沉41采用导热性能较佳的材料制成，芯片本体42通过设置导热热沉41与底座10接触，进一步增大芯片本体42与底座10的接触面积，使得芯片本体42通过接触面积更大的导热热沉41与底座10接触，加快芯片本体42的散热速度，从而提升发光芯片40的散热效果。导热热沉41可设置成多种形状。

可选地，导热热沉41背向底座10的一侧设有凹槽，芯片本体42设于凹槽的槽壁处，如此，利用凹槽的槽壁限定芯片本体42的位置，且增加芯片本体42与导热热沉41的接触面积，加快芯片本体42与导热热沉41传递热量的速度。

可选地，导热热沉41与芯片本体42之间设有导热胶。如此，导热胶在实现导热热沉41与芯片本体42连接的同时，还能保证导热热沉41与芯片本体42的热量传递；同时导热胶能密封导热热沉41与芯片本体42之间的缝隙，更有利于热量从芯片本体42传递至导热热沉41上。

可选地，导热热沉41的长度与底座10的长度相同，如此，导热热沉41能将热量均匀传递至底座10上，进而加快底座10内的相变介质20吸收热量的速度。

可选地，发光芯片40还包括设于导热热沉41两侧的多个导热条，位于导热热沉41同一侧的多个导热条呈间隔排布；如此，导热热沉41能将热量可通过多个导热条均匀传递至底座10的顶面表面，进一步加快底座10内的相变介质20吸收热量的速度。

参照图1，第一内腔10a还填充有纳米材料，纳米材料和相变介质20混合。

通过第一内腔10a增加纳米材料，可增强相变介质20的导热率，纳米材料可以是纳米颗粒(铜、氧化铜、铝、二氧化硅等)、纳米片、纳米线、纳米管、和纳米纤维等。

以一定的方式和比例在相变介质20中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成新的强化传热介质。纳米流体导热系数增大的原因，一是固体颗粒的加入改变了基础液体的结构，增强了混合物内部的能量传递过程，使得导热系数增大；二是纳米粒子的小尺寸效应，使得粒子与液体间有微对流现象存在，这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递过程，增大了纳米流体的导热系数，从而增强相变介质20的导热率。

参照图1，半导体激光1器还包括导热座，导热座与底座10的外壁可拆卸连接，且导热座的外壁与底座10的外壁贴合，并与管壳30相背设置；导热座设有第四内腔，第四内腔填充有相变介质20。

具体地，导热座与底座10可拆卸连接方式可以是磁吸连接、卡扣连接或螺钉连接等；通过将导热座与底座10可拆卸连接，进而可让半导体激光1器根据实际的散热需求，来增加导热座或除去导热座，使得半导体激光器散热更便捷。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括：

底座，所述底座设有第一内腔，所述第一内腔填充有相变介质，所述相变介质用于吸收热量；

管壳，所述管壳与所述底座的外壁连接，且所述管壳与所述底座的外壁围合形成有第二内腔；

发光芯片，所述发光芯片设于所述底座的外壁，并位于所述第二内腔内；及

光纤，所述光纤固定于所述第二内腔腔壁，所述光纤的一端与所述发光芯片间隔设置，所述光纤的另一端穿过所述管壳并伸出所述管壳外；所述光纤位于所述发光芯片的输出光路上；

其中，在所述发光芯片输出激光至所述光纤并发热时，所述相变介质通过所述底座与所述发光芯片接触换热。

2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括位于所述第二内腔的导光罩，所述导光罩的两端分别与所述发光芯片和所述光纤连接，所述导光罩位于所述发光芯片的输出光路。

3.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二内腔的腔壁与所述导光罩的外壁之间填充有导热材料，所述导热材料用于将所述发光芯片散发的热量传递至所述底座和所述管壳。

4.如权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括光学耦合透镜，所述光学耦合透镜设于所述导光罩的内壁，用于对所述发光芯片输出的激光进行准直和聚集至所述光纤。

5.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述导光罩的内壁设有反光膜。

6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述管壳包括：

外壳，所述外壳与所述底座的外壁连接；和

内壳，所述内壳与所述底座的外壁连接，并位于所述外壳内；且所述内壳的外壁、所述外壳的内壁及所述底座的外壁围合形成第三内腔，所述第三内腔填充有相变介质；所述内壳的内壁与所述底座的外壁围合形成所述第二内腔。

7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述发光芯片包括：

导热热沉，所述导热热沉设于所述底座的外壁，并位于所述第二内腔内；且所述导热热沉与所述光纤间隔设置；和

芯片本体，所述芯片本体设于所述导热热沉背向所述底座的一侧。

8.如权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述导热热沉与所述芯片本体之间设有导热胶。

9.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一内腔还填充有纳米材料，所述纳米材料和所述相变材料混合。

10.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括导热座，所述导热座与所述底座的外壁可拆卸连接，且所述导热座的外壁与所述底座的外壁贴合，并与所述管壳相背设置；所述导热座设有第四内腔，所述第四内腔填充有相变介质。

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