CN215645420U - 激光泵浦散热器、大功率激光泵浦设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种激光泵浦散热器、大功率激光泵浦设备，其中激光泵浦散热器包括散热壳体，散热壳体的第一连接端用于连接激光泵浦源，第二连接端用于连接冷却装置；所述散热壳体设有密封腔体，所述密封腔体内设有预设量的液体；所述密封腔体的腔壁上设有蒸发面和冷凝面，所述密封腔体配置为抽吸至预设真空度，以使移动至所述蒸发面的液体在预设温度范围内蒸发。散热壳体更利于设置为一个整体，减少连接界面及连接界面热阻，并降低散热结构整体重量；移动至蒸发面的液体能够蒸发，降低第二连接端的最大热流密度，降低第一连接端至冷却装置的最高传热温差，从而能够用于降低激光泵浦源的芯片结温，提高出光效率，减少中心波长偏移幅度。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光泵浦技术领域，特别涉及一种激光泵浦散热器、大功率激光泵浦设备。
背景技术
大功率激光芯片尺寸通常为4毫米×0.5毫米×0.15毫米(单颗芯片的光功率10～45W，发光效率45～65％)，大功率激光芯片通过预制在COS基板(COS，Chip On Submount，是指芯片封装在作为热沉的基板上；COS基板材料通常为氮化铝，尺寸约5毫米×4毫米×0.45毫米)上的金锡焊盘与之连接(部分电气连接采用金线绑定)组成大功率激光COS芯片。大功率激光泵浦主要由多个(通常大于等于10个)大功率激光COS芯片、电气连接线路、光耦合光学透镜、光纤、固定支架及壳体结构组成，主要发热源为大功率激光芯片。其中激光COS芯片、电气连接线路、光耦合光学透镜等通常称为激光泵浦源或激光泵浦。现有的大功率(大于200瓦)激光泵浦通常采用无氧铜(纯铜)实心底座的散热结构(厚度约为9～15毫米左右)作为二级热沉，大功率激光COS芯片采用锡合金焊片焊接在底座的上表面的局部位置，底座的下表面全部通过导热硅脂(或导热硅胶)与铝制水冷板形式的冷却装置连接进行散热。
现有的散热底座，无氧铜(纯铜)选薄了热流密度扩散不开，局部高热流密度直接加载在导热硅胶(导热硅脂)界面及水冷板壁的外侧上，从而导致其导热温差和水冷板壁内测水强制对流的温差很大；选厚了导热热阻升高而导致底座的导热温差很大。现有的散热底座难以降低芯片的结温，从而导致出光效率低且中心波长偏移大。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是提出一种激光泵浦散热器，旨在降低芯片的结温。
为实现上述目的，本实用新型提出的激光泵浦散热器，包括散热壳体，所述散热壳体包括相对设置的第一连接端和第二连接端，所述第一连接端用于连接激光泵浦源，所述第二连接端用于连接冷却装置；所述散热壳体设有密封腔体，所述密封腔体内设有预设量的液体；所述密封腔体的腔壁上设有蒸发面和冷凝面，所述蒸发面、所述冷凝面分别设置在所述密封腔体靠近所述第一连接端的腔壁上、所述密封腔体靠近所述第二连接端的腔壁上，所述密封腔体配置为抽吸至预设真空度，以使移动至所述蒸发面的液体在预设温度范围内蒸发。
可选地，所述第一连接端上设有安装凹腔，所述安装凹腔用于安装所述激光泵浦源。通过设置安装凹腔，使激光泵浦源的安装更直接、方便。
可选地，所述蒸发面和/或所述冷凝面上设有凹陷和/或凸起。凹陷和/或凸起增加了蒸发面和/或冷凝面的表面积，提高液体相变转换功率，能够用于降低蒸发端和冷凝端的热阻，进一步降低激光泵浦源的芯片结温。
可选地，所述凹陷设置为槽状或孔状。凹陷设置为槽状或孔状，使凹陷能够通过机加工方便地机加成型，提高了散热壳体制造效率。
可选地，所述密封腔体的腔壁上覆盖有介面层，所述介面层用于增加所述液体的可浸润性和/或用于提高所述液体沿所述介面层的移动能力。介面层通过增加液体的可浸润性和/或用于提高液体沿介面层的移动能力，进一步提高了液体相变转换效率，能够用于降低蒸发端和冷凝端的热阻，进一步降低激光泵浦源的芯片结温。
可选地，所述介面层设置为铜粉烧结层或铜丝网压焊层，和/或所述介面层的厚度介于0.1毫米至0.6毫米之间。介面层的厚度介于0.1毫米至0.6毫米之间，进一步提高了液体的可浸润性和/或液体沿所述介面层的移动能力。
可选地，所述第一连接端到所述冷凝面的壁厚介于4毫米至6毫米之间，所述冷凝面到所述第二连接端的壁厚介于1.5毫米至3.5毫米之间，综合了密封腔体的强度、导热及热流密度扩散结果，能够用于进一步降低激光泵浦源的芯片结温。
可选地，所述散热壳体包括第一壳体段和第二壳体段，所述第一壳体段与所述第二壳体段相扣合以形成所述密封腔体。散热壳体包括相扣合的第一壳体段和第二壳体段，使散热壳体的制造更加便利。
可选地，所述第一壳体段与所述第二壳体段之间设有真空扩散焊接层，所述真空扩散焊接层的两端分别与所述第一壳体段、所述第二壳体段连接；和/或所述散热壳体上设有预留注液孔和封堵所述预留注液孔的封堵结构。真空扩散焊接层降低了第一壳体段、第二壳体段之间的连接界面热阻，提高了散热壳体的传热及散热能力。散热壳体上设有预留注液孔和封堵预留注液孔的封堵结构，使散热壳体能够方便地在密封之前注入液体，并在注入液体后保证密封效果。
本实用新型还提出一种大功率激光泵浦设备，包括激光泵浦源以及上述激光泵浦散热器，所述激光泵浦源包括至少一颗安装在所述第一连接端上的大功率激光芯片，所述大功率激光芯片的功率大于等于10瓦。激光泵浦源包括至少一颗功率大于等于10瓦的激光芯片，使大功率激光泵浦设备在激光泵浦散热器优良的传热及散热作用下，实现了大功率输出。
本实用新型的技术方案中散热壳体设有用于连接激光泵浦源的第一连接端和密封腔体，密封腔体内设有预设量的液体且配置为抽吸至预设真空度，使得散热壳体更利于设置为一个整体，减少连接界面及连接界面热阻，并降低散热结构整体重量；移动至蒸发面的液体能够用于在预设温度范围内蒸发，对应的蒸气在冷凝面上冷凝，降低第二连接端的最大热流密度，使冷却装置降低最大导热温差，降低第一连接端至冷却装置的最高传热温差，从而能够用于降低激光泵浦源的芯片结温，提高出光效率，减少中心波长偏移幅度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型激光泵浦散热器一实施例的剖视图。
图2为图1中A处的局部放大图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 散热壳体 | 11 | 第一壳体段 |
| 111 | 第一连接端 | 1111 | 安装凹腔 |
| 12 | 第二壳体段 | 121 | 第二连接端 |
| 13 | 密封腔体 | 131 | 蒸发面 |
| 1311 | 凹陷 | 132 | 冷凝面 |
| 133 | 介面层 |
本实用新型目的的实现、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
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态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，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
本实用新型提出一种激光泵浦散热器。参照图1和图2，在本实用新型一实施例中，该激光泵浦散热器包括散热壳体1，散热壳体1可选用纯铜(无氧铜)制成。作为进一步另选的实施方式，散热壳体1的壳体外表面进行防腐处理，即散热壳体1的外表面具有防腐层。作为可选的实施方式，散热壳体1包括第一壳体段11和第二壳体段12，第一壳体段11与第二壳体段12相扣合以形成密封腔体13。作为可选的实施方式，第一壳体段11与第二壳体段12之间设有真空扩散焊接层，真空扩散焊接层的两端分别与第一壳体段11、第二壳体段12连接，即第一壳体段11与第二壳体段12之间通过真空扩散焊相连接。散热壳体1包括相扣合的第一壳体段11和第二壳体段12，使散热壳体1的制造更加便利。真空扩散焊接层降低了第一壳体段11、第二壳体段12之间的连接界面热阻，提高了散热壳体1的传热及散热能力。
散热壳体1包括相对设置的第一连接端111和第二连接端121，如图1所示，第一连接端111、第二连接端121即散热壳体1的上下两端。第一连接端111用于连接激光泵浦源，具体而言，第一连接端111上设有安装凹腔1111，安装凹腔1111用于安装激光泵浦源。通过设置安装凹腔1111，使激光泵浦源的安装更直接、方便。在连接时，若干个(通常为大于等于10个)大功率激光COS芯片底面采用0.03毫米至0.05毫米厚的锡合金(铟银或铟锡)在真空回流焊中实现与第一连接端111上的安装凹腔1111的底部的连接。作为进一步另选的实施方式，第一连接端111采用镀金等工艺制成。第二连接端121用于连接冷却装置，冷却装置可选用水冷装置，在连接时，第二连接端121采用导热硅脂(或导热硅胶)与水冷板壁外侧相连接并通过图1中的固定孔用螺丝锁紧。散热壳体1设有密封腔体13，密封腔体13内设有预设量的液体；密封腔体13的腔壁上设有蒸发面131和冷凝面132，蒸发面131、冷凝面132分别设置在密封腔体13靠近第一连接端111的腔壁上、密封腔体13靠近第二连接端121的腔壁上。由此一来，第一连接端111到蒸发面131之间的壳壁形成了以均温板结构，且该均温板结构与散热壳体1为完全的一个整体。
散热壳体1设有用于连接激光泵浦源的第一连接端111和密封腔体13，密封腔体13内设有预设量的液体且配置为抽吸至预设真空度。密封腔体13配置为抽吸至预设真空度，以使移动至蒸发面131的液体在预设温度范围内蒸发。具体而言，散热壳体1上设有预留注液孔和封堵预留注液孔的封堵结构。散热壳体1上设有预留注液孔和封堵预留注液孔的封堵结构，使散热壳体1能够方便地在密封之前注入液体，并在注入液体后保证密封效果。在30℃～100℃工作状态下，密封腔体13内充有的预定量的液体可设置为去离子高纯水(也可采用其它介质)，利用预留注液孔通过两次除气(抽真空工艺)使腔内绝对气压≤10Pa时密封并采用激光焊将封堵结构与预留注液孔焊接加固。
上述散热壳体1更利于设置为一个整体，减少连接界面及连接界面热阻，并降低散热结构整体重量；移动至蒸发面131的液体能够用于在预设温度范围内蒸发，对应的蒸气在冷凝面132上冷凝，降低第二连接端121的最大热流密度，使冷却装置降低最大导热温差，降低第一连接端111至冷却装置的最高传热温差，从而能够用于降低激光泵浦源的芯片结温，提高出光效率，减少中心波长偏移幅度。
作为可选的实施方式，蒸发面131和/或冷凝面132上设有凹陷1311和/或凸起，以蒸发面131、冷凝面132上均设有凹陷1311来进行介绍。凹陷1311设置为槽状或孔状，可由数控加工中心加工而成。凹陷1311和/或凸起增加了蒸发面131、冷凝面132的表面积，提高液体相变转换功率，能够用于降低蒸发端和冷凝端的热阻，进一步降低激光泵浦源的芯片结温。凹陷1311设置为槽状或孔状，使凹陷1311能够通过机加工方便地机加成型，提高了散热壳体1制造效率。
作为可选的实施方式，密封腔体13的腔壁上覆盖有介面层133，介面层133用于增加液体的可浸润性和/或用于提高液体沿介面层133的移动能力。介面层133设置为铜粉烧结层或铜丝网压焊层，介面层133的厚度介于0.1毫米至0.6毫米之间，进一步可设置为介于0.2毫米至0.5毫米之间。介面层133的厚度介于0.1毫米至0.6毫米之间，进一步提高了液体的可浸润性和/或液体沿所述介面层133的移动能力。介面层133通过增加液体的可浸润性和/或用于提高液体沿介面层133的移动能力，进一步提高了液体相变转换效率，能够用于降低蒸发端和冷凝端的热阻，进一步降低激光泵浦源的芯片结温。
作为可选的实施方式，第一连接端111到冷凝面132的壁厚介于4毫米至6毫米之间，第一连接端111到冷凝面132的壁厚进一步可设置为介于3.5毫米至4.5毫米之间，冷凝面132到第二连接端121的壁厚介于1.5毫米至3.5毫米之间，冷凝面132到第二连接端121的壁厚进一步可设置为介于2毫米至3毫米之间。上述第一连接端111到冷凝面132的壁厚、冷凝面132到第二连接端121的壁厚，综合了密封腔体13的强度、导热及热流密度扩散结果，能够用于进一步降低激光泵浦源的芯片结温。
本实用新型还提出一种大功率激光泵浦设备，该大功率激光泵浦设备包括激光泵浦源以及上述激光泵浦散热器，激光泵浦源包括至少一颗安装在第一连接端111上的大功率激光芯片，大功率激光芯片的功率大于等于10瓦。激光泵浦源包括至少一颗功率大于等于10瓦的激光芯片，使大功率激光泵浦设备在激光泵浦散热器优良的传热及散热作用下，实现了大功率输出。大功率激光泵浦设备在工作时，大功率激光芯片衬底底面发出的热量(热流密度高达500W/cm2～2250W/cm2)通过COS基板(一级热沉)及与之连接低温合金(铟锡或铟银)焊接层传导至图1中第一连接端111上，第一连接端111上的最高热流密度比激光芯片(10W～45W)衬底底面的热流密度(500W/cm2～2250W/cm2)降低了2/3(约为150W/cm2～675W/cm2)，焊接平台为纯铜其内部最大温度为3.75℃/mm～16.5℃/mm。如现有泵浦壳体的底座(厚度为9～15mm)采用纯铜结构其最大导热温差为3℃～15.5℃且泵浦底座底面(相当于图1中的第二连接端121)上最高热流密度约为7W/cm2～30W/cm2；激光泵浦散热器的最大导热温差为2℃～9℃，其图1中第二连接端121上最高热流密度约为2.6W/cm2～11.8W/cm2，使激光泵浦散热器底面的最大热流密度降低了约2/3。由于激光泵浦散热器底面的最大热流密度降低，在冷却装置同样的情况下，冷却装置所包括的导热硅脂(或导热硅胶，导热系数约为3.5W/(m×℃)，厚度为0.05mm)，所包括的为铝材、壁厚5mm的水冷板，水冷板中水的强制对流换热系数约为5000W/(m2×℃)；与现有的纯铜泵浦底座比较，激光泵浦散热器可使导热硅脂(或导热硅胶)层最大导热温差降低0.6℃～2.6℃(从1℃～4.3℃降至0.37℃～1.7℃)；激光泵浦散热器可使水冷板壁最大导热温差降低1.1℃～4.5℃(从1.75℃～7.5℃降至0.65℃～2.95℃)；激光泵浦散热器可使水强制对流最大温差降低8.8℃～36.4℃(从14℃～60℃降至5.2℃～23.6℃)，降幅≥60％。考虑密封腔体13内蒸发、回流及冷凝热阻综合增加的温差≤10℃，综上所述，单颗大功率激光芯片功率在10W～45W的范围内时，从图1中第一连接端111至冷却装置的水冷板中冷水总的最高传热温差，与相同外形尺寸的纯铜散热底座相比较降低了1.28℃～40℃。热温差的降低多少，激光芯片的结温相应降低多少，因此与相同外形尺寸的纯铜散热底座相比较，激光芯片的结温可以降低1.28℃～40℃(以单芯片光功率10W～45W来估算)，且功率越大结温降幅越大。
该激光泵浦散热器的具体结构参照上述实施例，由于本大功率激光泵浦设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光泵浦散热器，其特征在于，包括散热壳体，所述散热壳体包括相对设置的第一连接端和第二连接端，所述第一连接端用于连接激光泵浦源，所述第二连接端用于连接冷却装置；所述散热壳体设有密封腔体，所述密封腔体内设有预设量的液体；所述密封腔体的腔壁上设有蒸发面和冷凝面，所述蒸发面、所述冷凝面分别设置在所述密封腔体靠近所述第一连接端的腔壁上、所述密封腔体靠近所述第二连接端的腔壁上，所述密封腔体配置为抽吸至预设真空度，以使移动至所述蒸发面的液体在预设温度范围内蒸发。
2.如权利要求1所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述第一连接端上设有安装凹腔，所述安装凹腔用于安装所述激光泵浦源。
3.如权利要求1所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述蒸发面和/或所述冷凝面上设有凹陷和/或凸起。
4.如权利要求3所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述凹陷设置为槽状或孔状。
5.如权利要求1所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述密封腔体的腔壁上覆盖有介面层，所述介面层用于增加所述液体的可浸润性和/或用于提高所述液体沿所述介面层的移动能力。
6.如权利要求5所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述介面层设置为铜粉烧结层或铜丝网压焊层，和/或所述介面层的厚度介于0.1毫米至0.6毫米之间。
7.如权利要求1所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述第一连接端到所述冷凝面的壁厚介于4毫米至6毫米之间，所述冷凝面到所述第二连接端的壁厚介于1.5毫米至3.5毫米之间。
8.如权利要求1所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述散热壳体包括第一壳体段和第二壳体段，所述第一壳体段与所述第二壳体段相扣合以形成所述密封腔体。
9.如权利要求8所述的激光泵浦散热器，其特征在于，所述第一壳体段与所述第二壳体段之间设有真空扩散焊接层，所述真空扩散焊接层的两端分别与所述第一壳体段、所述第二壳体段连接；和/或所述散热壳体上设有预留注液孔和封堵所述预留注液孔的封堵结构。
10.一种大功率激光泵浦设备，其特征在于，包括激光泵浦源以及如权利要求1至9任意一项所述的激光泵浦散热器，所述激光泵浦源包括至少一颗安装在所述第一连接端上的大功率激光芯片，所述大功率激光芯片的功率大于等于10瓦。
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| CN202121866126.9U CN215645420U (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 激光泵浦散热器、大功率激光泵浦设备 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116258209A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-13 | 中诚华隆计算机技术有限公司 | 一种搭载超导量子芯片的计算装置 |
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2021
- 2021-08-10 CN CN202121866126.9U patent/CN215645420U/zh active Active
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| CN116258209A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-13 | 中诚华隆计算机技术有限公司 | 一种搭载超导量子芯片的计算装置 |
| CN116258209B (zh) * | 2023-05-10 | 2023-07-21 | 中诚华隆计算机技术有限公司 | 一种搭载超导量子芯片的计算装置 |
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