CN116169556A - 一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器及焊接设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器及焊接设备。本发明提供的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，通过安装部与阶梯式热沉的两段导热设计，使得发光单元的产热在竖直向下传递的同时进行侧向传递，实现处于不同级台阶的发光单元具有相近的散热效果，减少发光单元之间的性能差异，在保证总体散热的同时提高了光束质量。

Description

一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器及焊接设备
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器及焊接设备。
背景技术
光纤激光器在通信、材料加工、医疗器械等领域有着广泛的应用，其中光纤耦合半导体激光器作为光纤激光器的关键元器件之一，起着至关重要的作用。同时，高功率半导体激光器在激光焊接等领域也有着广阔的应用前景。因此，随着激光技术的快速发展，光纤耦合半导体激光器的功率、光束质量、效率和寿命等性能指标受到了越来越多的关注。
提高光纤耦合半导体激光器的功率是当前研究的重要课题之一。目前，提高半导体激光器光纤耦合模块的功率主要通过提高光纤耦合模块中单管半导体激光单元的数量实现。在现有技术中，主流应用的光纤耦合半导体激光器通常采用阶梯式设计，如CN201510274245.8，将多个单管半导体激光单元分布在不同高度的阶梯上，使其光路呈现纵向的空间分布，从而使多个单管半导体激光单元能够耦合到光纤中。目前已经实现的单管数量可达到数十个，其功率可以达到上千瓦。
然而，本发明的发明人发现，随着单管数量的增加，光纤耦合半导体激光器的工作性能并不会随之线性增加，能量损失也随之加大，其原因是由于单管半导体激光单元的阶梯式分布，激光单元的散热路径是单一的自上而下进行传热，而激光单元存在空间分布差异，各激光单元的散热又存在相互干扰现象，使得阶梯上的温度分布不均匀，影响最终输出的光束质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，通过安装部与阶梯式热沉的两段导热设计，使得发光单元的产热在竖直向下传递的同时进行侧向传递，实现处于不同级台阶的发光单元具有相近的散热效果，减少发光单元之间的性能差异，在保证总体散热的同时提高了光束质量。
基于同样的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种焊接设备。
本发明的第一个目的可以通过如下技术方案达到：
一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，包括：壳体、热沉、发光模块、聚焦透镜组和输出光纤，其中：
所述壳体上设有水平面和安装部，所述安装部为具有多个台阶的阶梯状结构，且安装部的最低端低于所述水平面；
所述热沉，设置于安装部上，为具有多个台阶的阶梯状结构，热沉的多个台阶对应设置于安装部的多个台阶上；
所述发光模块包括多个发光单元、与多个发光单元一一对应的多个准直模块、与多个发光单元一一对应的多个转向元件，其中多个发光单元分别设置于热沉的多个台阶上，热沉的每一个台阶上设置一个发光单元，发光单元的出射光经过准直模块准直后，经过转向元件汇入主光路；
所述聚焦透镜组设置于水平面上，所述主光路的光束穿过所述聚焦透镜组后被聚焦至所述输出光纤。
进一步的，任意相邻的安装部台阶具有相同的高度差。
进一步的，至少两组相邻的热沉台阶具有不同的高度差。
进一步的，任意相邻的热沉台阶均具有不同的高度差，其中，距离安装部越远的热沉台阶与其相邻台阶具有更小的高度差。
进一步的，其特征在于，任意设置于相邻热沉台阶上的发光单元具有相同的高度差。
进一步的，还包括散热器，所述散热器设置于壳体底部。
进一步的，所述热沉的热导率大于或等于所述壳体的热导率。
进一步的，所述热沉的材料为表面镀金的无氧铜。
进一步的，所述壳体的水平面上设有锯齿状结构。
本发明的第二个目的可以通过如下技术方案达到：
一种焊接设备，包括上述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明通过安装部与阶梯式热沉的两段导热设计，壳体与阶梯热沉之间存在热阻，发光单元的主要外热通路将包括热沉和壳体的热传递和热沉与下层级热沉的热传递。由于壳体厚度不均匀，壳体厚度中较薄的部分能够更好地和外界发生热交换，因此在高层级的发光单元中，向下层级热传递散热方式占主导，在低层级发光单元中，向壳体热传递散热方式占主导，实现不同层级的发光单元能够具有相似的散热效果，减少了阶梯式分布的发光单元的温度差异，从而使阶梯式分布设计能够在更多的激光单元场景下得到应用，提高了耦合输出的光束功率和质量。
附图说明
图1是本发明实施例1的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器结构图；
图2是本发明实施例1的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器剖面图；
图3是本发明实施例2的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器结构图；
主要元件符号说明：1、壳体，2、热沉，3、发光模块，4、第三转向元件，5、偏振合束元件，6、聚焦透镜组，7、输出光纤，11、第一安装部，12、第二安装部，13、水平面，21、第一热沉，22、第二热沉，31、第一发光模块，32、第二发光模块，311、第一发光单元，312、第一准直模块，313、第一转向元件，321、第二发光单元，322、第二准直模块，323、第二转向元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，包括：壳体1、热沉2、发光模块3、第三转向元件4、偏振合束元件5、聚焦透镜组6、输出光纤7和散热器，其中：
所述壳体1上设有第一安装部11、第二安装部12和水平面13，所述第一安装部11、第二安装部12均为具有多个台阶的阶梯状结构，且第一安装部11、第二安装部12的最低端均低于所述水平面13；
本实施例中，第一安装部11与第二安装部12具有相同的台阶级数N，且第一安装部11、第二安装部12的相邻台阶的高度差均为h0。
所述热沉2，包括设置于第一安装部11上的第一热沉21和设置于第二安装部12上的第二热沉22，所述第一热沉21、第二热沉22均为具有多个台阶的阶梯状结构；
本实施例中，第一热沉21的台阶级数为N，第1、2、……、N级第一热沉21分别设置于第1、2、……、N级第一安装部11上；第1、2、……、N-1级第一热沉21与更高一级的第一热沉21的高度差分别为h1、h2、……、hn-1；
本实施例中，第二热沉22的台阶级数为N，第1、2、……、N级第二热沉22分别设置于第1、2、……、N级第二安装部12上；第1、2、……、N-1级第二热沉22与更高一级的第二热沉22的高度差分别为h1、h2、……、hn-1；
本实施例中，h1、h2、……、hn-1构成公差为
Figure SMS_1
的等差数列，其中/>
Figure SMS_2
≤0；
所述发光模块3包括第一发光模块31、第二发光模块32，其中：
所述第一发光模块31包括多个第一发光单元311、多个第一准直模块312、多个第一转向元件313，其中多个第一发光单元311分别设置于第一热沉21的多个台阶上，第一热沉21的每一个台阶上设置一个第一发光单元311，第一发光单元311的出射光经过第一准直模块312准直后，经过第一转向元件313汇入第一光路；
本实施例中，相邻台阶上的第一发光单元311之间的高度差均为
Figure SMS_3
；
所述第二发光模块32包括多个第二发光单元321、多个第二准直模块322、多个第二转向元件323，其中多个第二发光单元321分别设置于第二热沉22的多个台阶上，第二热沉22的每一个台阶上设置一个第二发光单元321，第二发光单元321的出射光经过第二准直模块322准直后，经过第二转向元件323汇入第二光路；
本实施例中，相邻台阶上的第二发光单元321之间的高度差均为
Figure SMS_4
；
本实施例中，第一发光模块31与第二发光模块32相对设置；
本发明的一个优选的实施例中，0.35mm
Figure SMS_5
0.5mm；
所述第三转向元件4、偏振合束元件5和聚焦透镜组6设置于水平面上，所述第二光路的光束依次经过第三转向元件4、偏振合束元件5后，与第一光路的光束合束形成主光路，主光路的光束穿过所述聚焦透镜组6后被聚焦至所述输出光纤7。
所述散热器设置于壳体底部外侧，用于增强壳体底部与外部环境的热交换。
本实施例中，热沉的材料为表面镀金的无氧铜。
本实施例中，第一热沉21的热导率小于或等于壳体1的热导率；第二热沉22的热导率小于或等于壳体1的热导率。
接下来对本实施例的有益效果进一步进行说明：
本实施例的发光单元的外热通路由以下几种热阻组成：发光单元与热沉的接触热阻R1、热沉的传导热阻R2、热沉与壳体的接触热阻R3、壳体的传导热阻R4，其中，传导热阻与热传导距离L正相关，与热传导通道的截面积S、材料的换热系数K负相关，由于各台阶高度差相同，材料相同，截面积也相同，可认为热沉的级间传导热阻为一定值。
热通路中，热阻、温度差与热传递量存在如下关系式：
Figure SMS_6
；
其中，
Figure SMS_7
为热阻，/>
Figure SMS_8
为温度差，/>
Figure SMS_9
为热传递量；
对于每一层级的发光单元，其热沉的热传递量
Figure SMS_10
存在如下关系式：
Figure SMS_11
；
其中，
Figure SMS_12
为热沉与壳体的温度差，/>
Figure SMS_13
为热沉级间温度差；
单一冷源的半导体激光器中，随着层级升高，壳体厚度不断变大，因此，对于高层级的发光单元，壳体与热沉的接触部温度更高，即
Figure SMS_14
更小；反之，对于低层级的发光单元，壳体与热沉的接触部温度更低，即/>
Figure SMS_15
更大；
另一方面，由于高层级的发光单元产生的热量沿热沉向下传递，当传递到第n层时，热沉底部会累积更多的热量，即：
Figure SMS_16
；
其中，
Figure SMS_17
为第n层热沉底部的累积热量，/>
Figure SMS_18
为第n层激光单元产生的热量，
Figure SMS_19
为上层激光单元传导至第n层的累积热量之和，也就是说，对于低层级发光单元，累积热量导致温度升高，级间温度差/>
Figure SMS_20
变小。
进一步的，可以通过调节不同层级热沉的厚度差异，调节热沉底部的累积热量差异。对于各个发光单元而言，其热传递量
Figure SMS_21
的第一项随层级的增加而减少，第二项随层级的增加而增大，从而实现减小各个发光单元之间热传递量差距。当不同层级热沉的厚度差异为一合适值，或当热沉的热导率与壳体的热导率差异为一合适值时，即可实现各个发光单元均匀的热分布。
综上所述，本实施例通过安装部与阶梯式热沉的两段导热设计，壳体与阶梯热沉之间存在热阻，发光单元的主要外热通路将包括热沉和壳体的热传递和热沉与下层级热沉的热传递。由于壳体厚度不均匀，壳体厚度中较薄的部分能够更好地和外界发生热交换，因此在高层级的发光单元中，向下层级热传递散热方式占主导，在低层级发光单元中，向壳体热传递散热方式占主导，实现不同层级的发光单元能够具有相似的散热效果，减少了阶梯式分布的发光单元的温度差异，从而使阶梯式分布设计能够在更多的激光单元场景下得到应用，提高了耦合输出的光束功率和质量。
实施例2：
如图3所示，本实施例提供了一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，包括：壳体1、热沉2、发光模块3、第三转向元件4、偏振合束元件5、聚焦透镜组6、输出光纤7和散热器，其中：
所述壳体1上设有第一安装部11、第二安装部12和水平面13，所述第一安装部11、第二安装部12均为具有多个台阶的阶梯状结构，且第一安装部11、第二安装部12的最低端均低于所述水平面13；
本实施例中，第一安装部11与第二安装部12具有相同的台阶级数N，且第一安装部11、第二安装部12的相邻台阶的高度差均为h0。
所述热沉2，包括设置于第一安装部11上的第一热沉21和设置于第二安装部12上的第二热沉22，所述第一热沉21、第二热沉22均为具有多个台阶的阶梯状结构；
本实施例中，第一热沉21的台阶级数为N，第1、2、……、N级第一热沉21分别设置于第1、2、……、N级第一安装部11上；第1、2、……、N-1级第一热沉21与更高一级的第一热沉21的高度差分别为h1、h2、……、hn-1；
本实施例中，第二热沉22的台阶级数为N，第1、2、……、N级第二热沉22分别设置于第1、2、……、N级第二安装部12上；第1、2、……、N-1级第二热沉22与更高一级的第二热沉22的高度差分别为h1、h2、……、hn-1；
本实施例中，h1、h2、……、hn-1构成公差为
Figure SMS_22
的等差数列，其中/>
Figure SMS_23
≤0；
所述发光模块3包括第一发光模块31、第二发光模块32，其中：
所述第一发光模块31包括多个第一发光单元311、多个第一准直模块312、多个第一转向元件313，其中多个第一发光单元311分别设置于第一热沉21的多个台阶上，第一热沉21的每一个台阶上设置一个第一发光单元311，第一发光单元311的出射光经过第一准直模块312准直后，经过第一转向元件313汇入第一光路；
本实施例中，相邻台阶上的第一发光单元311之间的高度差均为
Figure SMS_24
；
所述第二发光模块32包括多个第二发光单元321、多个第二准直模块322、多个第二转向元件323，其中多个第二发光单元321分别设置于第二热沉22的多个台阶上，第二热沉22的每一个台阶上设置一个第二发光单元321，第二发光单元321的出射光经过第二准直模块322准直后，经过第二转向元件323汇入第二光路；
本实施例中，相邻台阶上的第二发光单元321之间的高度差均为
Figure SMS_25
；
本实施例中，第一发光模块31与第二发光模块32交错设置；
本发明的一个优选的实施例中，0.35mm
Figure SMS_26
0.5mm；
所述第三转向元件4、偏振合束元件5和聚焦透镜组6设置于水平面上，所述第二光路的光束依次经过第三转向元件4、偏振合束元件5后，与第一光路的光束合束形成主光路，主光路的光束穿过所述聚焦透镜组6后被聚焦至所述输出光纤7。
本实施例中，壳体的水平面上设有锯齿状结构，当激光器工作时，锯齿状结构的设置能够使发光单元的产热汇聚到锯齿状结构的尖端。
实施例3：
本实施例提供一种焊接设备，包括箱体，半导体激光器，供电模块，供冷模块，其中，半导体激光器为本发明实施例1或实施例2所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其结构已经在本发明实施例1、实施例2中进行过详细描述，此处不再赘述。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，包括：壳体、热沉、发光模块、聚焦透镜组和输出光纤，其中：
所述壳体上设有水平面和安装部，所述安装部为具有多个台阶的阶梯状结构，且安装部的最低端低于所述水平面；
所述热沉，设置于安装部上，为具有多个台阶的阶梯状结构，热沉的多个台阶对应设置于安装部的多个台阶上；
所述发光模块包括多个发光单元、与多个发光单元一一对应的多个准直模块、与多个发光单元一一对应的多个转向元件，其中多个发光单元分别设置于热沉的多个台阶上，热沉的每一个台阶上设置一个发光单元，发光单元的出射光经过准直模块准直后，经过转向元件汇入主光路；
所述聚焦透镜组设置于水平面上，所述主光路的光束穿过所述聚焦透镜组后被聚焦至所述输出光纤。
2.根据权利要求1所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，任意相邻的安装部台阶具有相同的高度差。
3.根据权利要求2所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，至少两组相邻的热沉台阶具有不同的高度差。
4.根据权利要求3所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，任意相邻的热沉台阶均具有不同的高度差，其中，距离安装部越远的热沉台阶与其相邻台阶具有更小的高度差。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，任意设置于相邻热沉台阶上的发光单元具有相同的高度差。
6.根据权利要求1所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，还包括散热器，所述散热器设置于壳体底部。
7.根据权利要求1所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述热沉的热导率小于或等于所述壳体的热导率。
8.根据权利要求7所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述热沉的材料为表面镀金的无氧铜。
9.根据权利要求1所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述壳体的水平面上设有锯齿状结构。
10.一种焊接设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的阶梯设计的光纤耦合半导体激光器。
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