CN116470389A - 一种万瓦级半导体激光器叠阵结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种万瓦级半导体激光器叠阵结构及其封装方法，属于半导体激光器技术领域。结构包括后壳、水道和巴条阵列，其中，后壳上侧并列设置有多个水道，水道内的冷却通道连接有后壳下侧的通水口，水道上侧设置有巴条阵列，巴条阵列两端分别设置有贴合水道的L型电极片，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，多个巴条阵列通过电极连接端子串联，电极连接端子通过接线端子外接电源。本发明通过封装夹具实现多个巴条集成封装，再通过封装夹具将多巴条阵列封装至水道表面，获得高功率的阵列模块，最后将多个阵列模块集成封装，获得高功率、高集成度的万瓦级激光器叠阵，有效延伸了激光器横向和纵向的发光面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种万瓦级半导体激光器叠阵结构及其封装方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
半导体激光器叠阵可应用于Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Tm:YAG等常见固体激光器的泵浦领域，Nd:YAG、Nd:YVO4等晶体在808nm达到吸收峰值，Yb:YAG晶体在940nm达到吸收峰值，Tm:YAG晶体在783nm达到吸收峰值；YAG晶体、YVO4晶体作为增益介质，产生1030nm-1064nm的激光，广泛应用与医疗、材料加工、军事等领域，以这些晶体为基础的激光器大多采用半导体激光器作为泵浦源，半导体激光器通常以巴条为基础进行封装；目前常见固体激光器采用的泵浦结构有端面泵浦和侧面泵浦两种结构，端面泵浦即泵浦源处于晶体的一端，采用透镜组等期间与晶体构成谐振腔；侧面泵浦通常通过多个泵浦源串联构成环状或者大面积的侧面泵浦，可以根据不同晶体尺寸设计不同规格型号的泵浦源，匹配不同功率的激光器。
在侧面泵浦应用中，泵浦源的结构通常与晶体尺寸适配，泵源的有效发光面积通常覆盖晶体的侧面，以达到理想的泵浦效果；针对大面积晶体，现在常用的泵浦方法是将多个子泵浦源在平面上依次串联拼接，构成大面积泵源，达到大面积晶体的泵浦效果，通常，所使用的的泵源模块巴条数量不超过20条，通过紧凑型的串联设计达到几百只巴条的泵浦源，串联时，在巴条纵向排列过程中，模块与模块的连接处会存在一定的间隙，横向排列过程中，往往需要连接相邻模块之间的电极，导致横向间隙过大，影响泵浦源的光斑均匀性。在高功率泵源应用过程中，目前常用传导冷却作为散热手段，在大功率激光器中，随着功率要求的增加，其产热量也越来越多，常规传导冷却泵浦源采用TEC制冷带走热量，随着产品功率的提升，其产热量越来越多，TEC已无法带走产品工作过程中产生的热量，常见的传导冷却方案已不再满足高功率泵源的散热需求。
中国专利文件CN114649741A公开了一种新型大功率叠阵激光器封装工艺及工装，激光单元制备后，用限位装置定位激光单元封装区，再放入激光单元，用限位装置固定激光单元，采用一种焊膏，加热至160～240℃后冷却即可。该方案通过带有探针的整体封装夹具实现高功率叠阵焊接，在巴条数量扩展或者巴条间距变小的过程中，该方案需要更小尺寸的钨铜热沉，且一体化的ALN陶瓷基板存在周期匹配问题，在高功率、大光斑激光器的封装方面具有一定的限制因素，限制了该工艺向大光斑面积扩展的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种万瓦级半导体激光器叠阵结构，实现大面积晶体的泵浦，解决现有技术中泵浦源发光面积小、功率低、散热差等问题。
本发明还提供上述万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法。
术语解释：
晶体：常见的用于固体激光器的Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Tm:YAG晶体；
吸收峰值：指晶体在某一吸收波段达到转换效率的最高点；
巴条：用于封装半导体激光器泵源的激光芯片，长度通常为1cm。
水道：用于激光器散热的模块，内部设有冷却通道，可通水冷却。
本发明的技术方案如下：
一种万瓦级半导体激光器叠阵结构，包括后壳、水道和巴条阵列，其中，后壳上侧并列设置有多个水道，水道内的冷却通道连接有后壳下侧的通水口，水道上侧设置有巴条阵列，巴条阵列两端分别设置有贴合水道的L型电极片，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，多个巴条阵列通过电极连接端子串联，电极连接端子通过接线端子外接电源。
根据本发明优选的，巴条阵列包括钨铜热沉、ALN陶瓷片和巴条，钨铜热沉一侧设置有ALN陶瓷片，相邻钨铜热沉之间设置有巴条，钨铜热沉、ALN陶瓷片和巴条组成巴条阵列。巴条数量可根据需求调整。
根据本发明优选的，水道设置有3个，数量可根据实际需要调整，水道之间紧靠安装。
根据本发明优选的，L型电极片下侧与水道之间设置有电极绝缘片A，L型电极片上侧与水道之间设置有电极绝缘片B。
根据本发明优选的，后壳上侧设置有密封用前壳，前壳上侧设置有玻璃视窗，通过玻璃视窗观察叠阵工作情况，前壳下侧设置有密封用后盖。
上述万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，步骤如下：
(1)将钨铜热沉侧面与ALN陶瓷片对齐后焊接，焊接过程采用AuSn焊料；
(2)在第一夹具内，依次交替摆放步骤(1)焊接后的钨铜热沉和巴条，巴条出光面朝下，钨铜热沉和巴条之间设置有AuSn焊料，然后将第一夹具固定后进行烧结，形成巴条阵列；
(3)在水道表面平铺一层低温焊料片InAg或SnAgCu，然后将巴条阵列摆放至水道表面的焊料片上，在巴条阵列两端分别放置电极绝缘片B、电极绝缘片A和L型电极片，电极绝缘片B、电极绝缘片A和L型电极片底部分别放置低温焊料片InAg或SnAgCu，通过第二夹具夹紧水道和巴条阵列，然后整体放置于回流炉中进行烧结；
(4)将步骤(3)烧结后的水道和巴条阵列安装正负极顺序安装到后壳上，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，然后在后壳上分别安装前壳和后盖，完成封装。
根据本发明优选的，步骤(2)中，第一夹具包括C型块、挡块和弹簧螺钉，C型块一侧贯穿设置有弹簧螺钉，弹簧螺钉位于C型块内部的一侧连接有挡块，挡块与C型块另一侧之间夹持有待烧结的巴条阵列。封装巴条阵列时，根据实际需求，不仅仅局限于50bar阵列，可以设计不同尺寸的夹具延伸至100bar阵列。
根据本发明优选的，步骤(3)中，第二夹具包括侧面固定块、端部固定块和压块，端部固定块一侧设置有凹槽，2个端部固定块之间并列设置有2个侧面固定块，2个侧面固定块之间夹持有水道，端部固定块通过凹槽夹持L型电极片和电极绝缘片A，巴条阵列上方放置压块。
本发明通过特定设计的封装夹具，一次实现50bar以上的巴条阵列以及模组封装，集成150bar叠阵，叠阵内部bar间距0.73mm，获得万瓦级以上峰值功率的叠阵，功率密度达到6Kw/cm2以上，并通过子模块连接的方式扩展叠阵的发光面积；封装过程中，通过先焊接ALN再封装巴条的技术路线，实现了bar与bar之间的绝缘，采用独立单元焊接巴条的方式，可实现多个巴条的扩展封装，避免了其他一体化焊接工艺引入的应力问题，利用巴条焊接夹具，可实现高精度定位，避免封装误差；叠阵横向扩展过程中，充分利用巴条慢轴发散角数据，在泵浦位置处，泵浦光通过慢轴的发散作用充满整个泵浦物质，获得均匀分布的光斑。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过封装夹具实现多个巴条集成封装，获得AuSn焊料封装的多巴条阵列，再通过封装夹具将多巴条阵列封装至水道表面，获得高功率的阵列模块，最后将多个阵列模块集成封装，获得高功率、高集成度的万瓦级激光器叠阵，输出功率达到万瓦级以上，有效延伸了激光器横向和纵向的发光面积。
2、本发明的引出电极经过串联后引出至统一接口，有效提高了散热能力和产品的集成度，在保证散热的同时，获得高功率、大光斑面积输出的泵源激光器，可有效满足大面积晶体的泵浦需求，解决现有技术中泵浦源发光面积小、功率低、均匀性差等问题。
附图说明
图1为本发明的钨铜热沉+ALN陶瓷片焊接后结构示意图。
图2为本发明的巴条阵列烧结夹具结构图。
图3为本发明的巴条阵列结构图。
图4为本发明的第二夹具工作示意图。
图5为本发明的水道封装后结构示意图。
图6为本发明的水道安装结构示意图。
图7为本发明的后壳底部结构示意图。
图8为本发明的整体结构示意图。
图9为本发明实施例1的测试数据图。
图10为本发明实施例1的光斑图。
其中，1、钨铜热沉，2、ALN陶瓷片，3、巴条，4、AuSn焊料，5、C型块，6、挡块，7、弹簧螺钉，8、水道，9、L型电极片，10、电极绝缘片A，11、电极绝缘片B，12、低温焊料片，13、侧面固定体，14、端部固定块，15、压块，16、紧固孔位，17、后壳，18、引出电极，19、接线端子，20、电极连接端子，21、T型绝缘垫圈，22、通水口，23、水道固定接口，24、前壳，25、后盖，26、水嘴，27、玻璃视窗。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-8所示，本实施例提供一种万瓦级半导体激光器叠阵结构，包括后壳17、水道8和巴条阵列，其中，后壳17上侧并列设置有多个水道8，水道8内的冷却通道连接有后壳17下侧的通水口22，通水口22通过水嘴26外接冷却循环水，水道8上侧设置有巴条阵列，巴条阵列两端分别设置有贴合水道8的L型电极片9，L型电极片9通过引出电极18连接有设置于后壳17后侧的电极连接端子20，多个巴条阵列通过电极连接端子20串联，电极连接端子20通过接线端子19外接电源。
巴条阵列包括钨铜热沉1、ALN陶瓷片2和巴条3，钨铜热沉1一侧设置有ALN陶瓷片2，相邻钨铜热沉1之间设置有巴条3，钨铜热沉1、ALN陶瓷片2和巴条3组成巴条阵列。巴条数量为50。
水道8设置有3个，数量可根据实际需要调整，水道之间紧靠安装。
L型电极片9下侧与水道8之间设置有电极绝缘片A10，L型电极片9上侧与水道8之间设置有电极绝缘片B11。
后壳17上侧设置有密封用前壳24，前壳24上侧设置有玻璃视窗27，通过玻璃视窗27观察叠阵工作情况，前壳24下侧设置有密封用后盖25，电极连接端子20与后壳17和后盖25之间通过T型绝缘垫圈进行绝缘，保证电极连接的牢固性和绝缘性。
上述万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，步骤如下：
(1)将钨铜热沉1侧面与ALN陶瓷片2对齐后焊接，焊接过程采用AuSn焊料4；
(2)在第一夹具内，依次交替摆放步骤(1)焊接后的钨铜热沉1和巴条3，巴条出光面朝下，钨铜热沉和巴条之间设置有AuSn焊料4，然后将第一夹具固定后进行烧结，形成巴条阵列；
(3)在水道8表面平铺一层低温焊料片InAg或SnAgCu，然后将巴条阵列摆放至水道8表面的低温焊料片12上，在巴条阵列两端分别放置电极绝缘片B11、电极绝缘片A10和L型电极片9，电极绝缘片B11、电极绝缘片A10和L型电极片9底部分别放置低温焊料片InAg或SnAgCu，通过第二夹具夹紧水道8和巴条阵列，然后整体放置于回流炉中进行烧结；
(4)将步骤(3)烧结后的水道8和巴条阵列安装正负极顺序安装到后壳17上，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，然后在后壳上分别安装前壳和后盖，完成封装。
按照本实施例封装150bar叠阵(单bar500W)后，进行测试，测试光斑面积为36.5mmx36.8mm，获得测试数据如图9所示，输出功率达84kW，无热饱和现象，满足万瓦级泵浦源，输出功率密度达到6kW/cm2以上；根据叠阵输出光路可以得到，三列水道上的巴条阵列泵浦位置分布均匀，其光斑均匀性如图10所示，光强调制度<1.15(光强调制度＝光强最大值/平均值)，相对均匀，满足泵浦使用要求。
实施例2
一种万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(2)中，第一夹具包括C型块5、挡块6和弹簧螺钉7，C型块5一侧贯穿设置有弹簧螺钉7，弹簧螺钉7位于C型块5内部的一侧连接有挡块6，挡块6与C型块5另一侧之间夹持有待烧结的巴条阵列，弹簧螺钉7在整个烧结过程中提供弹力，保证巴条阵列完整性。封装巴条阵列时，根据实际需求，不仅仅局限于50bar阵列，可以设计不同尺寸的夹具延伸至100bar阵列。
实施例3
一种万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(3)中，第二夹具包括侧面固定块13、端部固定块14和压块15，端部固定块14一侧设置有凹槽，2个端部固定块14之间并列设置有2个侧面固定块13，侧面固定块13与端部固定块14通过螺栓连接固定，2个侧面固定块13之间夹持有水道8，端部固定块14通过凹槽夹持L型电极片9和电极绝缘片A10，巴条阵列上方放置压块15。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种万瓦级半导体激光器叠阵结构，其特征在于，包括后壳、水道和巴条阵列，其中，后壳上侧并列设置有多个水道，水道内的冷却通道连接有后壳下侧的通水口，水道上侧设置有巴条阵列，巴条阵列两端分别设置有贴合水道的L型电极片，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，多个巴条阵列通过电极连接端子串联，电极连接端子通过接线端子外接电源。
2.如权利要求1所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构，其特征在于，巴条阵列包括钨铜热沉、ALN陶瓷片和巴条，钨铜热沉一侧设置有ALN陶瓷片，相邻钨铜热沉之间设置有巴条，钨铜热沉、ALN陶瓷片和巴条组成巴条阵列。
3.如权利要求2所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构，其特征在于，水道设置有3个，水道之间紧靠安装。
4.如权利要求3所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构，其特征在于，L型电极片下侧与水道之间设置有电极绝缘片A，L型电极片上侧与水道之间设置有电极绝缘片B。
5.如权利要求4所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构，其特征在于，后壳上侧设置有密封用前壳，前壳上侧设置有玻璃视窗，前壳下侧设置有密封用后盖。
6.如权利要求5所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将钨铜热沉侧面与ALN陶瓷片对齐后焊接，焊接过程采用AuSn焊料；
(2)在第一夹具内，依次交替摆放步骤(1)焊接后的钨铜热沉和巴条，巴条出光面朝下，钨铜热沉和巴条之间设置有AuSn焊料，然后将第一夹具固定后进行烧结，形成巴条阵列；
(3)在水道表面平铺一层低温焊料片InAg或SnAgCu，然后将巴条阵列摆放至水道表面的焊料片上，在巴条阵列两端分别放置电极绝缘片B、电极绝缘片A和L型电极片，电极绝缘片B、电极绝缘片A和L型电极片底部分别放置低温焊料片InAg或SnAgCu，通过第二夹具夹紧水道和巴条阵列，然后整体放置于回流炉中进行烧结；
(4)将步骤(3)烧结后的水道和巴条阵列安装正负极顺序安装到后壳上，L型电极片通过引出电极连接有设置于后壳后侧的电极连接端子，然后在后壳上分别安装前壳和后盖，完成封装。
7.如权利要求6所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，其特征在于，步骤(2)中，第一夹具包括C型块、挡块和弹簧螺钉，C型块一侧贯穿设置有弹簧螺钉，弹簧螺钉位于C型块内部的一侧连接有挡块，挡块与C型块另一侧之间夹持有待烧结的巴条阵列。
8.如权利要求6所述的万瓦级半导体激光器叠阵结构的封装方法，其特征在于，步骤(3)中，第二夹具包括侧面固定块、端部固定块和压块，端部固定块一侧设置有凹槽，2个端部固定块之间并列设置有2个侧面固定块，2个侧面固定块之间夹持有水道，端部固定块通过凹槽夹持L型电极片和电极绝缘片A，巴条阵列上方放置压块。
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| CN202310245678.5A CN116470389A (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种万瓦级半导体激光器叠阵结构及其封装方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118156965A (zh) * | 2024-05-09 | 2024-06-07 | 北京凯普林光电科技股份有限公司 | 一种半导体激光器及其制作方法 |
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2023
- 2023-03-15 CN CN202310245678.5A patent/CN116470389A/zh active Pending
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