CN204905652U - 一种水平阵列高功率半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种水平阵列高功率半导体激光器，在上通水块和半导体激光器单元之间增加液体制冷片B，下通水块正面增加反馈光防护板，且采用级联电极片作为电连接结构。本方案的双面制冷的方式提高了器件的散热效率和可靠性，有效防止反馈光对半导体激光器的损伤。

Description

一种水平阵列高功率半导体激光器

技术领域

本实用新型属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种水平阵列高功率半导体激光器。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、成本低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，比如激光泵浦，医疗以及工业加工领域。

水平阵列型高功率半导体激光器是半导体激光器封装结构中的一种，具体结构为将单Bar半导体激光器沿慢轴方向（即水平方向）均匀排布。这种水平阵列封装结构常用来作为固体激光器的泵浦源，在晶体棒周围均匀排布多个水平阵列结构的半导体激光器，分别从不同方向照射晶体棒，可以实现较高的转化效率。但是，晶体棒及用于给晶体棒冷却的冷却水玻璃筒表面光洁度较高，当半导体激光器发光面与晶体棒距离较近时，容易将一部分激光反射回半导体激光器表面，而半导体激光器的下通水块材料通常为工程塑料，无法长时间承受反射的激光导致的高温，进而导致半导体激光器的下通水块变型损坏；此外，反射的激光还可能会直接照射到半导体激光芯片，导致芯片热损毁，上述问题都会严重影响半导体激光器的可靠性和寿命，并且对半导体激光器的散热能力提出了更高的要求。目前解决这种作为泵浦源的反馈光问题主要有以下两种方式：

1）使用奇数个半导体激光器作为环绕泵浦源。一般为3组泵浦或者5组泵浦，这样就不会出现2个半导体激光器正面相对发光的情况，可以从一定程度上降低半导体激光器被反馈光烧毁的几率；

2）在固体激光器泵浦腔表面增加一层反射腔材质，一般为聚四氟乙烯或镀金材料，增大其表面粗糙度，这样半导体激光器发射出的激光在进入固体激光器泵浦腔后，会在各个方向产生漫反射，并被逐步匀化。

在实际使用过程中，反馈光的产生具有很大随机性，和半导体激光器快轴发散角、半导体激光器距晶体棒距离等因素有关，传统的防反馈方法虽然可以在一定程度上对改善反馈光的问题，但是无法彻底解决反馈光带来的危害，仍会有部分反馈光回射损伤半导体激光器；并且由于反馈光回射带来了附加的热量，上述方法都无法提高半导体激光器的散热效率来保证半导体激光器的可靠性。

中国发明专利ZL200910023746.3公开了一种水平阵列半导体激光器，在泵浦的应用中，易受到反馈光的损伤，影响了器件的可靠性；该方案采用的电极连接方式为每个微制冷模块采用正极引片和负极引片的方式将正极连接片与负极连接片进行连接，结构较为复杂，生产工艺较为繁琐，增加了生产的成本，此外，在长期使用中，这种结构的散热效果还有待提高。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出了一种水平阵列高功率半导体激光器，可以有效防止反馈光对半导体激光器的损伤，提高了器件的散热效率和可靠性，具体的技术方案为：

一种水平阵列高功率半导体激光器自下而上依次设置下通水块，一个或者多个半导体激光器单元，以及上通水块。所述的上通水块和下通水块用于固定半导体激光器单元，以及作为半导体激光器单元的散热装置。所述的一个或者多个半导体激光器单元在下通水块的上表面沿半导体激光器单元的慢轴方向依次平行排列，多个半导体激光器单元所发出激光光束的光轴相互平行。

所述的半导体激光器单元包括液体制冷片A，激光芯片，绝缘层以及负极连接片，所述的激光芯片的正极键合在液体制冷片A的一端，所述的负极连接片为片状金属且与激光芯片的负极相连接，负极连接片与液体制冷片A之间设置绝缘层，绝缘层用于使液体制冷片A与负极连接片绝缘。

所述的液体制冷片A的结构可以为微通道液体制冷片或者宏通道液体制冷片，所述的微通道液体制冷片包括入液孔，出液孔以及分布于微通道液体制冷片内部微小的液体通道；所述的宏通道液体制冷片为在液体制冷片主体上开有上下贯通的通液孔。

所述的下通水块的正面（即激光芯片的出光面）设置有反馈光防护板，用于将反馈回半导体激光器的反馈激光再次反射，避免了反馈光直接照射下通水块而引起的下通水块变型损伤；或者在下通水块的正面镀高反膜，用于将反馈回半导体激光器的反馈激光部分反射，减小反馈光对下通水块的损伤。

所述的反馈光防护板上开有与下通水块匹配的安装孔，用于将反馈光防护板固定于下通水块上。反馈光防护板材料为具有较高反射率的金属材料，比如铜镀金材料。

所述的上通水块与每个半导体激光器单元之间均设置有液体制冷片B，液体制冷片B与多个半导体激光器单元一一对应，液体制冷片B下表面一部分紧密贴合于半导体激光器单元的负极连接片上表面，液体制冷片B下表面另一部分与负极连接片之间存在间隙。

基于上述方案，液体制冷片B与半导体激光器单元有如下优化的方案：

1）所述的半导体激光器单元的负极连接片可以为台阶状，负极连接片贴合与绝缘层的部分（即负极连接片的台阶高处）高于负极连接片贴合激光芯片的部分（即负极连接片的台阶低处），液体制冷片B紧密贴合于半导体激光器单元的负极连接片的台阶高处的表面，并且液体制冷片B与负极连接片的台阶低处之间有大于0且小于1mm的间隙，用于防止液体制冷片B对激光芯片的损伤。

2）所述的半导体激光器单元的负极连接片可以为平片状，液体制冷片B紧密贴合与负极连接片的上表面，且液体制冷片B下表上设有台阶，用于使液体制冷片B与负极连接片接触激光芯片的部分有大于0且小于1mm的间隙（即液体制冷片B与接触激光芯片的负极连接片的地方有大于0且小于1mm的间隙）。

所述的液体制冷片B的结构可以与液体制冷片A相同，也可以为与液体制冷片A的制冷结构匹配的结构。

所述的上通水块和下通水块上均开有与液体制冷片A和液体制冷片B匹配的液体制冷通道，进液孔和出液孔。

所述的上通水块可以为一个整体，也可以为与半导体激光器单元匹配的通水块组，通水块组中包括与半导体激光器单元个数相等的通水块单元，每个通水块单元与半导体激光器单元独立安装。

本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器还包括级联电极片，正电极片和负电极片。所述的级联电极片所述的级联电极片为Z型的片状结构，包括相连接的两片电极片，级联电极片的一片电极片接于半导体激光器单元的液体制冷片A底部（正极），另一片接于相邻的半导体激光器单元的顶部（即负极连接片），并且以此安装方式通过多个级联电极片可以将下通水块上表面的多个半导体激光器单元按序依次串联连接。所述的正电极片的一端设置于未接有级联电极片的液体制冷片A的底部，另一端外接于电源的正极；所述的负电极片的一端设置于未接有级联电极片的半导体激光器单元负极连接片上，另一端外接于电源的负极。

所述的半导体激光器单元的激光芯片可以为单发光点芯片，也可以为多发光点芯片。

本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型的半导体激光器单元对激光芯片采用了双面制冷的方式，具有更高的散热效率。

2.在下通水块上增加金属材质的反馈光防护板，可以将照射到半导体激光器的反馈光二次反射，进而保护下通水块免遭烧毁。另外，金属比工程塑料更能耐受高温，可以有效保护通水座材料不被激光烧毁。

本实用新型的半导体激光器单元的电极结构采用了Z型的级联电极片，比传统的电极结构更为牢固，也易于生产工艺的操作，有效提高了生产效率。

附图说明

图1为本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器。

图2为本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器结构爆炸图。

图3-1为半导体激光器单元的实施例一。

图3-2为半导体激光器单元的实施例二。

图4为水平阵列高功率半导体激光器的制冷水路示意。

图5为级联电极片与半导体激光器单元的连接示意图。

图6-1为级联电极片与半导体激光器单元的连接方式的一个实施例。

图6-2为级联电极片结构。

附图标号说明：1为下通水块，2为半导体激光器单元，3为上通水块，4为激光芯片，5为防反馈防护板，6为液体制冷片A，7为绝缘层，8为负极连接片，9为液体制冷片B，10为级联电极片，11为正电极片，12为负电极片，13为安装孔，14为微通道液体制冷片的入液孔，15为微通道液体制冷片的出液孔，16为宏通道液体制冷片的通液孔，17为液体制冷通道。

具体实施方式

图1为本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器,图2为本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器结构爆炸图。一种水平阵列高功率半导体激光器自下而上依次设置下通水块1，一个或者多个半导体激光器单元2，以及上通水块3。所述的上通水块3和下通水块1用于固定半导体激光器单元2，以及作为半导体激光器单元2的散热装置。所述的一个或者多个半导体激光器单元2沿下通水块1的上表面沿半导体激光器单元2的慢轴方向依次平行排列，多个半导体激光器单元所发出激光光束的光轴相互平行。

所述的半导体激光器单元2包括液体制冷片A6，激光芯片4，绝缘层7以及负极连接片8，所述的激光芯片4的正极键合在液体制冷片A6的一端，所述的负极连接片8为片状金属且与激光芯片4的负极相连接，负极连接片8与液体制冷片A6之间设置绝缘层7，绝缘层7用于使液体制冷片A6与负极连接片8绝缘。

所述的液体制冷片A6的结构可以为微通道液体制冷片或者宏通道液体制冷片。图3-1为采用了微通道液体制冷片的半导体激光器单元2的实施例，所述的微通道液体制冷片包括入液孔14，出液孔15以及分布于微通道液体制冷片内部微小的液体通道；图3-2为采用了宏通道液体制冷片的半导体激光器单元2的实施例，所述的宏通道液体制冷片为在液体制冷片主体上开有上下贯通的通液孔16。

所述的下通水块1的正面（即激光芯片的出光面）设置有反馈光防护板5，用于将反馈回半导体激光器的反馈激光再次反射，避免了反馈光直接照射下通水块1而引起的下通水块1变型损伤；或者在下通水块1的正面镀高反膜，用于将反馈回半导体激光器的反馈激光部分反射，减小反馈光对下通水块的损伤。

所述的反馈光防护板5上开有与下通水块1匹配的安装孔13，用于将反馈光防护板固定于下通水块上。反馈光防护板材料为具有较高反射率的金属材料，比如铜镀金材料。

所述的上通水块3与每个半导体激光器单元2之间均设置有液体制冷片B9，液体制冷片B9与多个半导体激光器单元2一一对应，液体制冷片B9下表面一部分紧密贴合于半导体激光器单元2的负极连接片8上表面，液体制冷片B9下表面另一部分与负极连接片8之间存在间隙。

基于上述方案，液体制冷片B9与半导体激光器单元2有如下优化的方案：

1）所述的半导体激光器单元2的负极连接片8可以为台阶状，负极连接片8贴合与绝缘层7的部分（即负极连接片的台阶高处）高于负极连接片8贴合激光芯片4的部分（即负极连接片的台阶低处），液体制冷片B9紧密贴合于半导体激光器单元2的负极连接片8的台阶高处的表面，并且液体制冷片B9与负极连接片的台阶低处之间有大于0且小于1mm的间隙，用于防止液体制冷片B9对激光芯片4的损伤。

2）所述的半导体激光器单元2的负极连接片8可以为平片状，液体制冷片B9紧密贴合与负极连接片8的上表面，且液体制冷片B9下表上设有台阶，用于使液体制冷片B9与负极连接片8接触激光芯片4的部分有大于0且小于1mm的间隙。

所述的液体制冷片B的结构可以与液体制冷片A相同，也可以为与液体制冷片A的制冷结构匹配的结构。

图4为水平阵列高功率半导体激光器的制冷水路示意。所述的上通水块3和下通水块上1均开有与液体制冷片A6和液体制冷片B9匹配的液体制冷通道17，进液孔和出液孔。

所述的上通水块可以为一个整体，也可以为与半导体激光器单元匹配的通水块组，通水块组中包括与半导体激光器单元个数相等的通水块单元，每个通水块单元与半导体激光器单元独立安装。

本实用新型的水平阵列高功率半导体激光器还包括级联电极片10，正电极片11和负电极片12。参考图5的级联电极片与半导体激光器单元的连接示意图和图6-1的级联电极片与半导体激光器单元的连接方式的实施例，所述的级联电极片所述的级联电极片为Z型的片状结构（参考图6-2的级联电极片结构），包括相连接的两片电极片，级联电极片10的一片电极片接于半导体激光器单元的液体制冷片A6底部（正极），另一片接于相邻的半导体激光器单元2的负极连接片8，并且以此安装方式通过多个级联电极片10可以将下通水块1上表面的多个半导体激光器单元2按序依次连接。所述的正电极片11的一端设置于未接有级联电极片的液体制冷片A6的底部，另一端外接于电源的正极；所述的负电极片12的一端设置于未接有级联电极片的半导体激光器单元负极连接片8上，另一端外接于电源的负极。

所述的半导体激光器单元2的激光芯片4可以为单发光点芯片，也可以为多发光点芯片。

Claims (10)

1.一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：包括自下而上依次设置下通水块，一个或者多个半导体激光器单元，以及上通水块；

所述的上通水块和下通水块用于固定半导体激光器单元，以及作为半导体激光器单元的散热装置；

所述的一个或者多个半导体激光器单元在下通水块的上表面沿半导体激光器单元的慢轴方向依次平行排列，多个半导体激光器单元所发出激光光束的光轴相互平行；

所述的半导体激光器单元包括液体制冷片A，激光芯片，绝缘层以及负极连接片，所述的激光芯片的正极键合在液体制冷片A的一端，所述的负极连接片为片状金属且与激光芯片的负极相连接，负极连接片与液体制冷片A之间设置绝缘层，绝缘层用于使液体制冷片A与负极连接片绝缘；

所述的上通水块与每个半导体激光器单元之间均设置有液体制冷片B，液体制冷片B与多个半导体激光器单元一一对应，液体制冷片B下表面一部分紧密贴合于半导体激光器单元的负极连接片上表面，液体制冷片B下表面另一部分与负极连接片之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的负极连接片为台阶状，负极连接片贴合于绝缘层的部分高于负极片贴合激光芯片的部分，液体制冷片B紧密贴合于半导体激光器单元的负极连接片的台阶高处的表面，并且液体制冷片B与负极连接片的台阶低处之间有大于0且小于1mm的间隙。

3.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的负极连接片为平片状，液体制冷片B紧密贴合与负极连接片的上表面，且液体制冷片B下表面设有台阶，用于使液体制冷片B与负极连接片接触激光芯片的部分有大于0且小于1mm的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的下通水块的正面设置有反馈光防护板，或者在下通水块的正面镀高反膜，用于将反馈回半导体激光器的反馈激光再次反射。

5.根据权利要求4所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的反馈光防护板为铜镀金。

6.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：包括级联电极片，正电极片和负电极片；所述的级联电极片为Z型的片状结构，包括相连接的两片电极片，级联电极片的一片接于半导体激光器单元的液体制冷片A底部，另一片接于相邻的半导体激光器单元的负极连接片；

所述的正电极片的一端设置于未接有级联电极片的液体制冷片A的底部，另一端外接于电源的正极；所述的负电极片的一端设置于未接有级联电极片的半导体激光器单元负极连接片上，另一端外接于电源的负极。

7.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的液体制冷片A的结构为微通道液体制冷片或者宏通道液体制冷片，所述的微通道液体制冷片包括入液孔，出液孔以及分布于微通道液体制冷片内部微小的液体通道；所述的宏通道液体制冷片为在液体制冷片主体上开有上下贯通的通液孔。

8.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的液体制冷片B与液体制冷片A的结构相同。

9.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的上通水块为一个整体，或者为与半导体激光器单元匹配的通水块组，通水块组中包括与半导体激光器单元个数相等的通水块单元，每个通水块单元与半导体激光器单元独立安装。

10.根据权利要求1所述的一种水平阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的激光芯片可以为单发光点芯片，也可以为多发光点芯片。