CN1812213A

CN1812213A - 被动散热的小热沉半导体激光条

Info

Publication number: CN1812213A
Application number: CN 200610011366
Authority: CN
Inventors: 巩马理; 黄磊; 殷聪
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: CN100364190C

Abstract

被动散热的小热沉半导体激光条，涉及被动散热的小热沉半导体激光条的结构与封装技术。本发明的主要技术特征是所述的热沉的宽度为10～12mm，其前端为阶梯结构，第一级台阶的高度为0.3～1mm，第一级台阶的长度为1mm～2mm；热沉总高度为3～6mm，总长度为19～25mm；所述的发光介质设置在第一级台阶的前边缘。本发明通过结构参数的优化，保留了现有被动散热的半导体激光条结构简单、工作稳定性好、对环境条件要求低的优点，与已有技术相比，进一步减小了发光介质与热沉散热面之间的热阻，同时具有体积小，结构紧凑，装配灵活，便于维护等特点。

Description

被动散热的小热沉半导体激光条

技术领域

本发明涉及一种被动散热的小热沉半导体激光条的结构与封装技术，属于半导体激光器

技术领域。

背景技术

半导体激光条具有高功率、体积小、重量轻、电光转换效率高、波长覆盖范围宽等优点，是固体激光器和光纤放大器的主要泵浦源，可以有效提高激光光束质量和效率。并且在材料加工、生物医学等领域得到广泛应用。

普通半导体激光条由热沉(兼作正极)、负极、半导体发光介质、电极间的导热绝缘层以及紧固螺钉组成。半导体激光条工作时产生大量的热，其散热方式分为主动散热和被动散热两种。半导体激光条发光介质宽度为10mm。主动散热的半导体激光条体积小，结构紧凑，热沉宽度为11mm，略宽于发光介质。因此其热流密度高，一般采用在热沉内设置微通道水路以增加热沉的散热面积，使用时直接通入冷却水散热。微通道直径为几十到几百微米，距离激光条发光介质小于1mm，以减小发光介质与冷却水间的热阻。但是，这种主动散热的激光条结构和工艺复杂，制造成本高。散热水路不能设置在发光介质的正下方。微通道稳定性差，容易被冷却水冲毁。同时，为避免微通道堵塞，必须使用去离子水散热。多个激光条同时使用时拆装和维护都很麻烦。

被动散热的半导体激光条结构和工艺相对简单，工作稳定性好，对环境条件要求低，使用时需固定在散热器上。图1为普通被动散热的半导体激光条封装结构示意图，其被动散热的半导体激光条热沉体积较大，为25×25×7mm³的长方体结构。热沉内无散热水路，其下表面为散热面。因为热沉的散热面积大，所以热流密度低，散热相对容易。由于热沉厚度一般为6～8mm，所以发光介质与散热面间的热阻较大。热沉体积大使得被动散热的半导体激光条不适用于多个光源的紧密排列，同时不适用于结构紧凑，体积小巧的装置中。

当需要体积小，散热简单，装配灵活，便于维护的半导体激光条光源时，上述的两种半导体激光条均不能满足要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种被动散热的小热沉半导体激光条，使其既保留被动散热的半导体激光条结构简单、工作稳定性好、对环境条件要求低的优点，同时又具有体积小，结构紧凑，装配灵活以及便于维护等特点。

本发明的技术方案如下：

一种被动散热的小热沉半导体激光条，含有热沉，设置在热沉上面的负极，发光介质，以及设置在热沉和负极之间的导热绝缘层，用于连接发光介质N端和负极的金属箔片，紧固螺钉，在所述的热沉和负极上分别设有装配孔，在所述的热沉上设有正极孔，在所述的负极上设有负极孔，其特征在于：所述的热沉的宽度为10～12mm，其前端为阶梯结构，第一级台阶的高度为0.3～1mm，第一级台阶的长度为1mm～2mm，热沉总高度为3～6mm，总长度为19～25mm；所述的发光介质设置在第一级台阶的前边缘。

为了热沉前端有足够的空间与散热器的制冷面接触，并且使激光条受力均匀，避免前端翘起影响散热，设置在负极上的装配孔中心距热沉前端为10～12mm，正极上的装配孔中心距热沉前端大于15mm。

本发明的技术特征还在于：所述的正极孔设置在热沉的上表面、侧面或背面；所述的热沉与负极之间的导热绝缘层采用氮化铝陶瓷或金刚石膜。

为了使激光器的整体结构更紧凑，在热沉的第一级台阶前端设有一个安放准直镜的第三级小台阶。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：采用宽度为10～12mm的热沉缩小了激光条的体积，使激光条结构更紧凑小巧。热沉前端采用阶梯结构，第一级台阶高度为0.3～1mm，减小了发光介质与热沉散热面之间的热阻。被动散热方式使激光条的结构和工艺简单，对工作条件要求低，环境适应性好。

附图说明

图1为现有技术中普通被动散热的半导体激光条封装结构示意图。

图2为本发明提供的被动散热小热沉半导体激光条的封装结构示意图。

图3为发光介质与导热绝缘层在热沉上的安装位置示意图。

图4为用于连接发光介质N端和负极的金属箔片的位置示意图。

图5为将激光条安装在散热器上工作的结构示意图。

图中：1-激光条热沉(正极)；2-激光条负极；3-发光介质；4-导热绝缘层；5-导电金属箔片或金属丝；6-紧固螺钉；7-绝缘粒；8-第一级阶梯；9-阶梯前边缘的棱；10-矩形缺口；11-正极孔；12-负极孔；13-装配孔；14-条形陶瓷片；15-正方形陶瓷片；16-散热器；17-准直镜；18-第三级台阶。

具体实施方式

本发明提出的被动散热小热沉半导体激光条结构如图2所示，包括热沉(正极)1、负极2、发光介质3、导热绝缘层4、用于连接发光介质N端和负极的金属箔片5、用于把负极固定在热沉上的紧固螺钉6以及使负极2与紧固螺钉6间绝缘的绝缘粒7。为保证热沉散热充分，热沉和负极的材料均为纯铜。

热沉前端为阶梯结构，热沉宽度为10～12mm。第一级台阶8的高度为0.3～1mm，长度为1～2mm。热沉总高度为3～6mm，总长度为19～25mm。热沉的第一级台阶上焊接发光介质，为减少焊接后热沉与发光介质间的空气隙，影响热沉前端热量平均分布，第一级台阶上表面的粗糙度应小于0.1μm，台阶前边缘的棱9不能有毛刺或缺口。

负极2的长度为15～18mm，与热沉同宽，厚度为1～3mm，前端下表面有矩形缺口10，缺口沿激光条长度方向为3mm，高0.8mm，与负极同宽。负极前表面与热沉前表面对齐。

激光条的热沉上设置有正极孔11，在负极上设有负极孔12，在热沉和负极上分别设有装配孔13。正极孔设置在热沉的上表面、侧面或背面。设置在负极上的装配孔中心距热沉前端为10～12mm，正极上的装配孔中心距热沉前端大于15mm，这样可使热沉前端有足够的空间与散热器的制冷面接触，并且使激光条受力均匀，避免前端翘起影响散热。

发光介质3采用AlGaAs量子阱外延片、InGaAsP量子阱外延片或AlGaAsP量子阱外延片等，宽度一般为10mm，腔长方向长度为1mm，厚度为0.2mm。如图3所示，发光介质3焊接在热沉第一级台阶8的前边缘处，P端向下。

热沉与负极间用氧化铝陶瓷或者金刚石膜作为导热绝缘材料。以氮化铝陶瓷为例，条形陶瓷片14与热沉同宽，厚0.3～0.6mm，沿激光器腔长方向长度为2～3mm，焊接在热沉上，上表面做金属化处理。两片厚度与条形陶瓷片相等的正方形陶瓷片15分别焊接在装配孔13的两侧，与条形陶瓷片14共同支撑激光条负极，使之与正极绝缘。发光介质发出的一部分热量通过热沉和导热绝缘层传递给负极，增加了激光条的热容和散热面积。

如图4所示，金属箔片或金属丝5的一端焊接在发光介质3的N端上，另一端焊接在条形陶瓷片14的上表面。金属箔片或金属丝应具有良好的导电性，选择材料为纯铜。

如图5所示，激光条工作时固定在散热器16上。激光条前端设置准直镜时，在热沉第一级台阶前端再设一级安放准直镜17的第三级小台阶18。激光条热沉变为三阶梯结构。

Claims

1.一种被动散热的小热沉半导体激光条，含有热沉(1)，设置在热沉上面的负极(2)，发光介质(3)，以及设置在热沉和负极之间的导热绝缘层(4)，用于连接发光介质N端和负极的金属箔片(5)，紧固螺钉(6)，在所述的热沉和负极上分别设有装配孔(13)，在所述的热沉上设有正极孔(11)，在所述的负极上设有负极孔(12)，其特征在于：所述的热沉的宽度为10～12mm，其前端为阶梯结构，第一级台阶(8)的高度为0.3～1mm，第一级台阶的长度为1mm～2mm，热沉总高度为3～6mm，总长度为19～25mm；所述的发光介质设置在第一级台阶的前边缘。

2.按照权利要求1所述的被动散热的小热沉半导体激光条，其特征在于：设置在负极上的装配孔中心距热沉前端为10～12mm，正极上的装配孔中心距热沉前端大于15mm。

3.按照权利要求1或2所述的被动散热的小热沉半导体激光条，其特征在于：所述的正极孔设置在热沉的上表面、侧面或背面。

4.按照权利要求3所述的被动散热的小热沉半导体激光条，其特征在于：在所述热沉的第一级台阶前端设有一个用于安放准直镜的第三级小台阶(18)。

5.按照权利要求1所述的被动散热的小热沉半导体激光条，其特征在于：所述的热沉与p负极之间的导热绝缘层采用氮化铝陶瓷或金刚石膜。