RU2150164C1

RU2150164C1 - Radiating module built around laser diode strip (design versions)

Info

Publication number: RU2150164C1
Application number: RU98101944A
Authority: RU
Inventors: В.В. Аполлонов; С.И. Державин; В.Н. Тимошкин; В.В. Кузьминов; Д.А. Машковский; А.М. Прохоров
Original assignee: Аполлонов Виктор Викторович; Державин Сергей Игоревич; Кузьминов Виталий Владимирович; Машковский Дмитрий Александрович; Тимошкин Валерий Николаевич; Прохоров Александр Михайлович
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2000-05-27

Abstract

FIELD: semiconductor lasers and radiators built around laser diodes for pumping high-power solid-state lasers. SUBSTANCE: module has laser diode strip and heat-transfer strip attached to the latter on active layer side; it incorporates built-in microchannel heat exchanger formed by shaped depression which is, essentially, range of equidistant straight parallel channels of similar rectangular section perpendicular to laser diode strip axis and separated by equal-thickness ribs; it is made in heat-transfer strip surface within its contact with active layer and hermetically sealed by laser diode strip. With coolant pumped through this microchannel heat exchanger it comes in direct contact with active layer of laser diode strip that functions as one of walls of cavity thereby providing for direct heat transfer from active layer during radiation process. Module may be modified either by filling channels of microchannel heat exchanger with inserts of microporous penetrable material whose frame is made of heat-conducting material or by replacing channel lattice with microcapillary layer. Cooling circuit ensures control of augmented heat transfer while maintaining uniform temperature distribution in active layer surface thereby providing for high total power, density, and spatial uniformity of module radiant flux.. Module size is sufficient to use high density of packing when assembling laser diode arrays. EFFECT: facilitated manufacture due to automation of production process. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области конструирования и применения полупроводниковых лазеров, в частности, разработки излучателей на основе лазерных диодов. The invention relates to the field of design and application of semiconductor lasers, in particular, the development of emitters based on laser diodes.

Заявляемое устройство служит конструктивной единицей (модулем) для сборки матриц лазерных диодов, предназначенных для использования в качестве источника накачки мощных твердотельных лазеров. Также оно может быть использовано и как самостоятельный источник когерентного излучения, который может найти применение в опто-электронных приборах и системах волоконно-оптической связи, оптических компьютерах, медицинском оборудовании, установках мониторинга состояния окружающей среды и многих других приложениях, где требуются компактные лазерные излучатели. The inventive device serves as a structural unit (module) for assembling arrays of laser diodes intended for use as a pump source of high-power solid-state lasers. It can also be used as an independent source of coherent radiation, which can be used in optoelectronic devices and fiber-optic communication systems, optical computers, medical equipment, environmental monitoring systems, and many other applications where compact laser emitters are required.

Одним из направлений создания излучателей на основе лазерных диодов с высокими значениями полной мощности и плотности потока излучения является объединение большого числа одинаковых полупроводниковых лазерных диодов (ЛД) в конгломераты различной конфигурации [1]. Наиболее простыми из них являются одномерные структуры в виде полоски, называемые линейками лазерных диодов (ЛЛД), в которых диоды соединены так, что их оптические оси взаимно параллельны и направлены по нормали к длинной стороне линейки (продольной оси), а вывод излучения осуществляется в одном, общем для всех диодов, направлении [1, 2]. Помимо самостоятельного применения ЛЛД часто используются в качестве конструктивных блоков (модулей) для составления двухмерных конгломератов - матриц лазерных диодов (МЛД). При этом полная мощность и плотность потока излучения МЛД определяются плотностью упаковки ЛЛД (их числом на единицу длины) и мощностью каждой ЛЛД. Проявление первого фактора зависит от геометрических параметров модуля на основе ЛЛД, второго - от величины предельно допустимого тока накачки, которая регулируется эффективностью охлаждения ЛЛД,
Независимо от конкретных различий в способах компоновки диодов в ЛЛД и МЛД, принципиально их конструкция включает две основные части - излучающую (сами диоды) и теплоотводящую. Необходимость последней обусловлена сильной зависимостью характеристик излучения ЛД от температуры его нагрева. Для успешного функционирования ЛД необходимо, чтобы в пределах длительности импульса тока накачки смещение спектра излучения ЛД, вызываемое разогревом активного (излучающего) слоя, не превышало 2 нм относительно начальной длины волны генерации, что соответствует пределу допустимых значений температуры нагрева активного слоя в 10 K [2]. Поскольку именно активный слой является доминирующим источником выделяемого при работе ЛД джоулева тепла, то эффективность его отвода является определяющим фактором, от которого зависят мощность и характеристики спектра излучения ЛД (ЛЛД).One of the directions of creating emitters based on laser diodes with high values of total power and radiation flux density is the combination of a large number of identical semiconductor laser diodes (LD) into conglomerates of various configurations [1]. The simplest of them are one-dimensional stripe-shaped structures called laser diode arrays (LLDs), in which the diodes are connected so that their optical axes are mutually parallel and normal to the long side of the ruler (longitudinal axis), and the radiation is output in one , common to all diodes, direction [1, 2]. In addition to the independent use of LLDs, they are often used as structural blocks (modules) for compiling two-dimensional conglomerates - laser diode matrices (MLDs). In this case, the total power and flux density of the MLD radiation is determined by the packing density of the LLD (their number per unit length) and the power of each LLD. The manifestation of the first factor depends on the geometric parameters of the LLD-based module, the second - on the value of the maximum allowable pump current, which is governed by the cooling efficiency of the LLD,
Regardless of the specific differences in the layout of the diodes in LLD and MLD, in principle their design includes two main parts - radiating (the diodes themselves) and heat dissipating. The need for the latter is due to the strong dependence of the characteristics of the LD radiation on its heating temperature. For the LD to function successfully, it is necessary that, within the duration of the pump current pulse, the shift in the radiation spectrum of the LD caused by heating of the active (emitting) layer does not exceed 2 nm relative to the initial generation wavelength, which corresponds to a limit of permissible heating temperature of the active layer of 10 K [2 ]. Since it is the active layer that is the dominant source of the Joule heat released during the operation of the LD, the efficiency of its removal is the determining factor on which the power and characteristics of the radiation spectrum of the LD (LLD) depend.

Известен целый ряд излучателей на основе ЛЛД, описанных в работах [3], которые представляют собой различные модификации одной общей конструкции (фиг. 1). Согласно ей модуль состоит из отдельной ЛЛД 1, припаянной со стороны ее активного слоя 2 к поверхности тонкой пластинки прямоугольной формы 3, изготовленной из высокотеплопроводного материала (например, алмаза, меди, бериллиевой керамики). Пластинка является проводником тепла к теплообменнику 4, на охлаждаемой поверхности которого жестко закреплена (припаяна) ее торцевая грань. В таком устройстве эффективность теплоотвода от активного слоя ЛЛД определяется пропускной способностью пластинки, которая в данном случае ограничена малым значением поперечного сечения. При объединении таких модулей в МЛД их конструкция позволяет достигнуть высокой плотности размещения линеек, но из-за неудовлетворительного теплоотвода она не способна обеспечить высокие значения полной мощности излучения матрицы. Кроме того, это устройство требует повышенной точности в креплении пластинок к поверхности теплообменника, что усложняет его изготовление. A number of LLD-based emitters are known, described in [3], which are various modifications of one general design (Fig. 1). According to her, the module consists of a separate LLD 1, soldered from the side of its active layer 2 to the surface of a thin plate of rectangular shape 3 made of highly heat-conducting material (for example, diamond, copper, beryllium ceramic). The plate is a heat conductor to the heat exchanger 4, on the cooled surface of which its end face is rigidly fixed (soldered). In such a device, the efficiency of heat removal from the active LLD layer is determined by the bandwidth of the plate, which in this case is limited by a small cross-sectional value. By combining such modules in MLD, their design allows to achieve a high density of the rulers, but due to poor heat dissipation, it is not able to provide high values of the total radiation power of the matrix. In addition, this device requires increased accuracy in fixing the plates to the surface of the heat exchanger, which complicates its manufacture.

Другой известной конструкцией излучателя на основе ЛЛД является устройство, описанное в [4], (фиг. 2). В нем ЛЛД 1 припаивается со стороны активного слоя 2 непосредственно к поверхности теплообменника 3. Это позволяет исключить главный недостаток предыдущей конструкции - пластинку, соединяющую активный слой ЛЛД с теплообменником, как промежуточный проводник тепла, и тем самым качественным образом улучшить теплоотвод. Однако подобный способ размещения ЛЛД требует дополнительной, прецезионной системы отвода излучения, выполненной в виде выступов с зеркальными гранями 4 на поверхности теплообменника 3, расположенных по обе стороны от ЛЛД. Поэтому данная конструкция не позволяет достигнуть высокой плотности размещения ЛЛД при объединении подобных излучателей в МЛД. Another well-known design of an emitter based on LLD is the device described in [4], (Fig. 2). In it, the LLD 1 is soldered from the side of the active layer 2 directly to the surface of the heat exchanger 3. This eliminates the main drawback of the previous design - the plate connecting the active layer of the LLD with the heat exchanger as an intermediate heat conductor, and thereby improve the heat dissipation in a qualitative way. However, this method of placing the LLD requires an additional, precision radiation removal system, made in the form of protrusions with mirror faces 4 on the surface of the heat exchanger 3, located on both sides of the LLD. Therefore, this design does not allow to achieve a high density distribution of LLD when combining such emitters in MLD.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по своему техническому содержанию из известных конструкций можно считать излучательный модуль на основе ЛЛД, который разработан для сборки МЛД, описанной в [5], (фиг. 3). Он также содержит ЛЛД 1, припаянную к теплоотводящей пластинке со стороны активного слоя 2, однако в данном устройстве пластинка не является монолитной, а содержит профилированную полость 5, которая служит каналом для прокачки охлаждающей жидкости. Тем самым полая пластинка выступает в качестве микроканального теплообменника, с которым активный слой ЛЛД имеет непосредственный контакт. The closest to the claimed device in its technical content of the known structures can be considered an emitting module based on LLD, which is designed for the assembly of MLD described in [5] (Fig. 3). It also contains LLD 1, soldered to the heat sink plate from the side of the active layer 2, however, in this device, the plate is not monolithic, but contains a profiled cavity 5, which serves as a channel for pumping coolant. Thus, the hollow plate acts as a microchannel heat exchanger, with which the active layer of LLD has direct contact.

Полая пластинка (микроканальный теплообменник) изготавливается из трех последовательно наложенных тонких слоев прямоугольной формы - кремниевые внешние 3 и стеклянный (боросиликатный) внутренний 4, их соединение осуществляется путем спекания при нагреве до температуры отжига стекла. Внутренняя полость в получаемой таким образом пластинке образуется оставляемыми при соединении слоев зазорами между ними. Также на участках поверхностей кремниевых пластин 3, обращенных внутрь полости, нарезаны выступы в виде ряда эквидистантных параллельных ребер прямоугольного сечения, которые при сборке упираются в поверхность стеклянной вставки и образуют в полости два микроканальных участка (радиатора) 6, одновременно служа ребрами жесткости. Ребра ориентированы под углом к продольной оси ЛЛД. Выступающая за пределы области крепления ЛЛД часть пластины имеет фигурные сквозные отверстия 8, которые служат для ввода и вывода потока охлаждающей жидкости в полость и находящиеся в ней микроканальные радиаторы. При составлении МЛД из таких модулей совокупность выступающих частей пластин образует пластинчатый теплообменник. Описанная конструкция позволяет обеспечить хорошее охлаждение активного слоя при сохранении возможности достаточно плотной упаковки модулей в МЛД и достигнуть значений удельного теплового сопротивления вплоть до 1,4 • 10^-2 K•см²/Вт.A hollow plate (microchannel heat exchanger) is made of three consecutive superimposed thin layers of rectangular shape - silicon outer 3 and glass (borosilicate) inner 4, their connection is carried out by sintering when heated to the glass annealing temperature. The internal cavity in the plate thus obtained is formed by the gaps left between the layers when the layers are connected. Also, protrusions in the form of a series of equidistant parallel ribs of rectangular cross section are cut on the surface areas of the silicon wafers 3 facing the cavity, which during assembly abut against the surface of the glass insert and form two microchannel sections (radiator) 6 in the cavity, while serving as stiffeners. The ribs are oriented at an angle to the longitudinal axis of the LLD. The part of the plate that extends beyond the limits of the LLD fastening region has curly through holes 8, which serve to enter and output the coolant flow into the cavity and the microchannel radiators inside it. When compiling MLD from such modules, the totality of the protruding parts of the plates forms a plate heat exchanger. The described design makes it possible to ensure good cooling of the active layer while maintaining the possibility of sufficiently dense packing of modules in MLD and to achieve values of specific thermal resistance up to 1.4 • 10 ^-2 K • cm ² / W.

Описанная конструкция модуля содержит следующие недостатки. Используемая U-образная форма канала, внутренние участки которого вдобавок перекрываются решетками щелевых каналов, имеет очень большое гидравлическое сопротивление, что в конечном счете делает невозможным достижение высоких значений коэффициента теплоотдачи от стенок к жидкости. Кремниевый слой, отделяющий активный слой ЛЛД от потока жидкости, также служит фактором, замедляющим отвод выделяемого в активном слое тепла к жидкости, вследствие как недостаточно высокой теплопроводности материала, так и создания им дополнительного передаточного слоя (т.е. теплоотвод не является в полном смысле непосредственным). Минимально возможная толщина пластины составляет около 1,55 мм, что с учетом толщины самой линейки и соединительных слоев позволяет получить плотность упаковки модулей в МЛД не более 5,4 штук на один сантиметр. Описанная конструкция полой наборной пластины предусматривает большое количество соединений, которые должны отвечать повышенным требованиям к точности и надежности по герметичности и прочности, что влечет за собой необходимость дополнительной разработки специальных технологий для изготовления устройства. The described module design contains the following disadvantages. The U-shaped channel used, the inner sections of which are additionally overlapped by the grating of the slotted channels, has a very high hydraulic resistance, which ultimately makes it impossible to achieve high values of the heat transfer coefficient from the walls to the liquid. The silicon layer separating the active layer of LLD from the fluid flow also serves as a factor slowing down the removal of heat released in the active layer to the liquid, due to both the insufficiently high thermal conductivity of the material and the creation of an additional transfer layer (i.e., heat removal is not in the full sense direct). The minimum possible thickness of the plate is about 1.55 mm, which, taking into account the thickness of the line itself and the connecting layers, allows you to get the packing density of the modules in the MLD not more than 5.4 pieces per centimeter. The described design of a hollow typeset plate provides a large number of joints that must meet the increased requirements for accuracy and reliability in terms of tightness and strength, which entails the need for additional development of special technologies for manufacturing the device.

Техническая задача изобретения заключается в повышении полной мощности, плотности и пространственной однородности потока излучения модуля на основе ЛЛД посредством интенсификации теплоотвода от активных слоев диодов при учете требований эксплуатационной надежности устройства, технологичности и возможной автоматизации его производства. The technical task of the invention is to increase the total power, density and spatial uniformity of the radiation flux of the LLD-based module by intensifying heat removal from the active layers of the diodes while taking into account the requirements for operational reliability of the device, manufacturability and possible automation of its production.

Основная особенность предлагаемого решения данной задачи, определяющая его принципиальную новизну, состоит в использовании непосредственного (без промежуточных агентов) отвода тепла от активного слоя ЛЛД охлаждающей жидкостью, который осуществляется при их прямом контакте. Так же как и в прототипе в предлагаемой конструкции излучательного модуля, представляющего собой ЛЛД 1, прикрепленную к теплоотводящей пластинке 3, последняя изготавливается в виде микроканального теплообменника (фиг. 4). Для этого в поверхности монолитной пластины 3 в пределах области ее контакта с активным слоем ЛЛД 2 вырезается профилированная выемка, которая в общем случае представляет собой ряд эквидистантно расположенных параллельных бороздок одинакового прямоугольного сечения 4, ориентированных перпендикулярно к продольной оси ЛЛД (параллельно оптическим осям лазерных диодов), и разделенных ребрами одинаковой толщины 5. При этом все концы бороздок с обеих сторон соединяются поперечными бороздами с прямоугольным сечением такой же глубины 6, которые имеют по одному сквозному выходу в боковых гранях по противоположным сторонам пластинки 7. Образующаяся при скреплении пластины и ЛЛД рельефная полость предназначается для прокачки охлаждающей активный слой жидкости, которая подается и выводится через отверстия 7. Тем самым, профилированная выемка в пластинке, закрытая линейкой, представляет собой микроканальный теплообменник, заполненный решеткой щелевых каналов, который получается встроенным в объем модуля без изменения его размеров. The main feature of the proposed solution to this problem, which determines its fundamental novelty, is the use of direct (without intermediate agents) heat removal from the active layer of LLD by the cooling liquid, which is carried out when they are in direct contact. As in the prototype in the proposed design of the radiating module, which is LLD 1, attached to the heat-removing plate 3, the latter is made in the form of a microchannel heat exchanger (Fig. 4). To this end, a profiled recess is cut out on the surface of the monolithic plate 3 within the area of its contact with the active layer of LLD 2, which in the general case is a series of equidistant parallel grooves of the same rectangular cross section 4 oriented perpendicular to the longitudinal axis of the LLD (parallel to the optical axes of the laser diodes) , and separated by ribs of the same thickness 5. Moreover, all ends of the grooves on both sides are connected by transverse grooves with a rectangular section of the same depth 6, which e have one through exit in the lateral faces on opposite sides of the plate 7. The relief cavity formed during bonding of the plate and LLD is intended for pumping the cooling active layer of liquid, which is supplied and discharged through openings 7. Thus, the profiled recess in the plate closed by a ruler, It is a microchannel heat exchanger filled with a grating of slotted channels, which is obtained integrated into the module’s volume without changing its size.

Поскольку поверхность активного слоя является частью внутренней поверхности (одной из стенок) этого теплообменника, часть выделяемого в ЛЛД при работе модуля тепла напрямую отводится потоком жидкости. Другая часть отводится с боковых поверхностей разделяющих каналы ребер 5, которые также напрямую контактируют с активным слоем, и в совокупности образуют развитую поверхность теплообмена. В результате качественным образом возрастает интенсивность охлаждения активных слоев ЛД, что позволяет использовать высокие значения тока их накачки и тем самым получать высокие значения плотности потока и, соответственно, полной мощности излучения ЛЛД. Since the surface of the active layer is part of the inner surface (one of the walls) of this heat exchanger, part of the heat released in LLD during the operation of the heat module is directly removed by the fluid flow. The other part is discharged from the side surfaces of the channel-dividing ribs 5, which also directly contact the active layer, and together form a developed heat transfer surface. As a result, the cooling intensity of active LD layers increases in a qualitative way, which allows one to use high values of their pump current and thereby obtain high flux densities and, accordingly, the total radiation power of LLDs.

Помимо того, что разделяющие каналы стенки 5 образуют систему охлаждаемых пластин, они служат для разбиения потока на более мелкие, приблизительно однородные составляющие, которые направляются ими в направлении, поперечном продольной оси линейки. Тем самым создаются одинаковые условия охлаждения всех диодов, входящих в ЛЛД, что означает однородность распределения температуры по продольной оси линейки, которая определяет однородность пучка излучения. Поперечное направление потока охлаждающей жидкости также обеспечивает минимально возможный путь потока вдоль поверхности нагрева, поэтому нагрев жидкости и порождаемая им неоднородность охлаждения активного слоя также сводятся к минимуму. Поэтому предложенная конструкция и предусмотренная ею система организации потока охлаждающей жидкости обеспечивают высокую степень однородности температурного распределения в пределах активного слоя, следствием которой является однородность спектра излучения ЛЛД по всей продольной оси. Кроме того, поперечные ребра 5 одновременно служат и дополнительной опорой для ЛЛД при скреплении с пластинкой и как ребра жесткости, увеличивающие прочность всей конструкции. Предложенная конструкция встроенного теплообменника в отличие от прототипа имеет только одну поверхность соединения составных частей. Таким образом, использование системы внутренних поперечных ребер является комплексно-многофункциональным решением. In addition to the fact that the walls 5 separating the channels form a system of cooled plates, they serve to divide the flow into smaller, approximately homogeneous components, which are directed by them in the direction transverse to the longitudinal axis of the ruler. This creates the same cooling conditions for all the diodes included in the LLD, which means the uniformity of the temperature distribution along the longitudinal axis of the ruler, which determines the uniformity of the radiation beam. The transverse direction of the coolant flow also provides the smallest possible flow path along the heating surface; therefore, the heating of the fluid and the inhomogeneity of cooling of the active layer generated by it are also minimized. Therefore, the proposed design and the system for organizing the flow of coolant provided by it provide a high degree of uniformity of the temperature distribution within the active layer, which results in uniformity of the radiation spectrum of LLD along the entire longitudinal axis. In addition, the transverse ribs 5 simultaneously serve as an additional support for LLD when bonding with the plate and as stiffeners, increasing the strength of the entire structure. The proposed design of the built-in heat exchanger, unlike the prototype, has only one connection surface of the components. Thus, the use of a system of internal transverse ribs is a complex multifunctional solution.

Поскольку в предложенном модуле перегородкой служит сама ЛЛД, активным слоем контактирующая с охлаждающей жидкостью, это не требует дополнительной стенки, что влечет, помимо указанных выше следствий, уменьшение общей толщины модуля W, что позволяет достичь больших, чем в прототипе, значений плотности упаковки модулей в матрицу. Площадь пластинки может быть как равной площади грани ЛЛД с активным слоем (т.е. H_п = H_л), так и превышать ее (H_п > H_л), что выбирается в зависимости от условий функционирования модуля. В последнем случае выступающая часть пластинки может использоваться для крепления модуля к опорной поверхности или внешнему теплообменнику, как в аналоге [3], а при сборке МЛД из таких модулей совокупность выступающих частей пластин образует пластинчатый теплообменник.Since the LLD itself serves as a partition in the proposed module, which is in contact with the coolant as an active layer, this does not require an additional wall, which entails, in addition to the above consequences, a decrease in the total thickness of the W module, which allows achieving higher than the prototype packing density values of the modules in matrix. The area of the plate can be either equal to the area of the face of the LLD with the active layer (i.e., H _p = H _l ), or exceed it (H _p > H _l ), which is selected depending on the operating conditions of the module. In the latter case, the protruding part of the plate can be used to attach the module to the supporting surface or external heat exchanger, as in the analogue [3], and when assembling the MLD from such modules, the totality of the protruding parts of the plates forms a plate heat exchanger.

Описанная выше конструкция излучательного модуля на основе ЛЛД с непосредственным охлаждением активного слоя предусматривает следующие две модификации. Первая из них предусматривает заполнение всего объема поперечных каналов 4 вставками из микропористого проницаемого материала с каркасом из высокотеплопроводного вещества 10 (фиг. 4, сеч. А-А, сеч. Б-Б). Поскольку тепло от активного слоя в этом случае будет отводиться в объем потока по каркасу микропористых вставок, непосредственно контактирующему с активным слоем ЛЛД, это позволит увеличить интенсивность отвода тепла не менее, чем на порядок. Сохраняя все особенности базовой конструкции, эта модификация дополнительно позволяет уменьшить толщину модуля W за счет уменьшения необходимой глубины каналов h. The design of the LLD-based emitting module described above with direct cooling of the active layer provides the following two modifications. The first of them involves filling the entire volume of the transverse channels 4 with inserts of microporous permeable material with a framework of highly heat-conducting substance 10 (Fig. 4, section A-A, section B-B). Since the heat from the active layer in this case will be transferred to the volume of the flow through the skeleton of microporous inserts directly in contact with the active layer of LLD, this will increase the intensity of heat removal by at least an order of magnitude. Retaining all the features of the basic design, this modification additionally allows to reduce the thickness of the module W by reducing the required channel depth h.

Во второй модификации описываемого устройства предлагается заменить решетку щелевых каналов, вырезанных в поверхности пластинки, плоским слоем микрокапилляров, который должен быть образован сеткой узких и мелких микроканавок, нанесенных на поверхность пластинки в преимущественно поперечном к продольной оси ЛЛД направлении, и закрытых сверху прикрепленной к пластине диодной линейкой. При этом продольные борозды 6, служащие каналами для подачи и отвода охлаждающей жидкости сохраняются, имея меньшую, чем в базовой конструкции, глубину. Эта разновидность конструкции является промежуточной по отношению к первым двум, описанным выше, и объединяет в себе элементы обеих. Слой микрокапилляров в зависимости от их глубины и ширины, рисунка их сетки и плотности нанесения на поверхности пластины может рассматриваться или как система щелевых каналов малой глубины и с узким зазором, или как очень тонкий (порядка среднего диаметра поры) слой высокопористого материала. Преимуществом этой модификации является возможность значительного уменьшения толщины пластины, а тем самым увеличения плотности упаковки модулей в МЛД. In the second modification of the described device, it is proposed to replace the lattice of slit channels cut into the surface of the plate with a flat layer of microcapillaries, which should be formed by a network of narrow and small microgrooves deposited on the surface of the plate in the direction predominantly transverse to the longitudinal axis of the LLD and closed with a diode attached to the plate a ruler. In this case, the longitudinal grooves 6, which serve as channels for supplying and discharging coolant, are retained having a shallower depth than in the basic design. This type of construction is intermediate with respect to the first two described above, and combines the elements of both. The layer of microcapillaries, depending on their depth and width, pattern of their grid and application density on the plate surface, can be considered either as a system of slotted channels of shallow depth and with a narrow gap, or as a very thin (of the order of the average pore diameter) layer of highly porous material. The advantage of this modification is the possibility of significantly reducing the plate thickness, and thereby increasing the packing density of the modules in the MLD.

Во всех модификациях значения параметров конструкции (геометрические, тепловые и т. п.) могут варьироваться в достаточно широкой области и выбираются в результате оптимизации по выбранному критерию (например, максимальный отводимый тепловой поток при заданной плотности упаковки). In all modifications, the values of the structural parameters (geometric, thermal, etc.) can vary in a rather wide area and are selected as a result of optimization according to the selected criterion (for example, the maximum heat flow removed at a given packing density).

Сопоставительный анализ с прототипом и анализ источников информации показывает, что заявляемый модульный излучатель на основе лазерных диодов находится в соответствии с критерием "новизна". Comparative analysis with the prototype and analysis of information sources shows that the inventive modular emitter based on laser diodes is in accordance with the criterion of "novelty."

При сравнении формулы изобретения с другими техническими решениями в данной области техники не обнаружено решений, обладающих сходными признаками и решающих аналогичные технические задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень". When comparing the claims with other technical solutions in the art, no solutions are found that have similar features and solve similar technical problems, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "inventive step".

На приводимых в описании фигурах изображено следующее. The figures given in the description depict the following.

Фиг. 1. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [3], (аналог). FIG. 1. The scheme of the radiative module based on LLD described in [3], (analog).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - теплоотводящая пластинка, 4 - теплообменник (фрагмент), 5 - направление пучка излучения модуля. 1 - LLD, 2 - active layer, 3 - heat sink plate, 4 - heat exchanger (fragment), 5 - direction of the radiation beam of the module.

Фиг. 2. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [4], (аналог). FIG. 2. The scheme of the emitting module based on LLD described in [4], (analog).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - ребра с зеркальными гранями, 4 - теплообменник (фрагмент), 5 - направление пучка излучения модуля. 1 - LLD, 2 - active layer, 3 - ribs with mirror faces, 4 - heat exchanger (fragment), 5 - direction of the radiation beam of the module.

Фиг. 3. Схема излучательного модуля на основе ЛЛД, описанного в [5], (прототип). FIG. 3. The scheme of the emitting module based on LLD described in [5] (prototype).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - кремниевые слои, 4 - стеклянная прокладка, 5 - внутренний канал для прокачки охлаждающей жидкости, 6 - участки, перекрытые решеткой щелевых каналов, 7 - направление потока охлаждающей жидкости, 8 - фигурные сквозные отверстия, 9 - направление пучка излучения модуля. 1 - LLD, 2 - active layer, 3 - silicon layers, 4 - glass gasket, 5 - inner channel for pumping coolant, 6 - sections overlapped by the lattice of slotted channels, 7 - direction of coolant flow, 8 - shaped through holes, 9 - direction of the radiation beam of the module.

Фиг. 4. Схема предлагаемого излучательного модуля (базовый вариант - с решеткой щелевых каналов). FIG. 4. The scheme of the proposed emitting module (the basic version is with a lattice of slotted channels).

1 - ЛЛД, 2 - активный слой, 3 - теплоотводящая пластинка, 4 - щелевые каналы, 5 - перегородки между ними, 6 - поперечные соединительные каналы, 7 - отверстия для подачи и отвода охлаждающей жидкости, 8 - направление потока охлаждающей жидкости, 9 - направление пучка излучения модуля. 1 - LLD, 2 - active layer, 3 - heat sink plate, 4 - slotted channels, 5 - partitions between them, 6 - transverse connecting channels, 7 - holes for supplying and discharging coolant, 8 - direction of flow of coolant, 9 - direction of the radiation beam of the module.

Наибольшие значения мощности излучения ЛЛД достигаются при работе в непрерывном режиме, когда устанавливаются стационарные режим теплоотвода и распределение температуры в модуле (при условии стационарности потока охлаждающей жидкости). Определяющим образом значения характеризующих их величин зависят от параметров теплоотводящей системы модуля, поэтому являются его характерными значениями. Связь мощности излучения ЛЛД P_изл и плотности теплового потока, отводимого с поверхности активного слоя, P для стационарного режима теплоотвода определяется выражением

где η - значение КПД линейки, L и H_л - ее длина и ширина, равная длине резонатора диодов.The highest values of the LLD radiation power are achieved when operating in a continuous mode, when the stationary heat removal mode and temperature distribution in the module are established (provided that the coolant flow is stationary). The determinative values of the quantities characterizing them depend on the parameters of the heat sink system of the module, therefore, are its characteristic values. Communication of the radiation power P _rad LLD and heat flux density, bleed from the surface of the active layer, P mode for stationary heat sink is given by

where η - the value of the efficiency of the line, L and H _l - its length and width equal to the length of the resonator diodes.

В модели стационарного теплообмена в одномерном приближении нами получены следующие соотношения, связывающие P с параметрами модуля и характеристиками потока. In the model of stationary heat transfer in the one-dimensional approximation, we obtained the following relations connecting P with the parameters of the module and flow characteristics.

1) Для модуля с решеткой щелевых каналов

ΔT - величина нагрева активного слоя ( Δ T≤10 K), λ - толщина слоя, отделяющего активный слой ЛЛД от жидкости (который по меньшей мере состоит из полупроводникового p-слоя, являющегося неотъемлемой структурной частью ЛЛД), k₁, k₂ - коэффициенты теплопроводности этого слоя и материала пластины соответственно, смысл параметров l, s, h ясен из чертежа на фиг. 4, α - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности канала к жидкости, D - гидравлический диаметр канала. Величина α зависит от режима течения жидкости и для развитого ламинарного течения, являющегося оптимальным для микроканальных теплообменников [5], равна [6]

где k₀ - коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости.1) For a module with a slotted channel array

ΔT is the amount of heating of the active layer (Δ T≤10 K), λ is the thickness of the layer separating the active layer of LLD from the liquid (which at least consists of a semiconductor p-layer, which is an integral structural part of LLD), k ₁ , k ₂ - thermal conductivity of this layer and plate material, respectively, the meaning of the parameters l, s, h is clear from the drawing in FIG. 4, α is the heat transfer coefficient from the inner surface of the channel to the liquid, D is the hydraulic diameter of the channel. The value of α depends on the regime of fluid flow and for a developed laminar flow, which is optimal for microchannel heat exchangers [5], is equal to [6]

where k ₀ is the coefficient of thermal conductivity of the coolant.

Удельное тепловое сопротивление равно

2) Для модуля с вставкой из микропористого материала

где

α_V - объемный коэффициент теплоотдачи, П - пористость, k_c ^(c) - коэффициент теплопроводности материала каркаса в компактном состоянии.The specific thermal resistance is

2) For a module with an insert made of microporous material

Where

α _V is the volumetric heat transfer coefficient, P is the porosity, k _c ^(c) is the thermal conductivity coefficient of the carcass material in a compact state.

Величина α_V определяется по характерному числу Нуссельта Nu_d

d_p - средний диаметр пор, d - средний диаметр структурной образующей каркаса, c = 4 для пористых материалов из сферических частиц и c = 1 - для проволочных материалов [7]. В случае произвольного пористого материала
Nu_d = CRe_d ^mPrⁿ,
где C, m, n есть характерные константы, зависящие от структуры пористого материала, Pr - число Прантля охлаждающей жидкости, Re_d - число Рейнольдса, связанное со средней скоростью фильтрации жидкости через пористый материал V

ν - кинематическая вязкость охлаждающей жидкости. Скорость V определяется из уравнения [7]

где a, b - характерные для данного пористого материала коэффициенты, являющиеся функциями d и П, H - толщина его слоя в направлении фильтрации, Δp - перепад давления жидкости на входе и выходе пористого слоя (в нашем случае H = H_л, а перепад давления на краях пористого слоя практически совпадает с перепадом значений давления во входном и выходном отверстиях полости, т.к. гидравлическое сопротивление всего канала преимущественно определяется пористыми вставками), ρ₀ - плотность жидкости.The value of α _V is determined by the characteristic Nusselt number Nu _d

d _p is the average pore diameter, d is the average diameter of the structural forming frame, c = 4 for porous materials from spherical particles and c = 1 for wire materials [7]. In the case of arbitrary porous material
Nu _d = CRe _d ^m Pr ⁿ ,
where C, m, n are characteristic constants depending on the structure of the porous material, Pr is the Prantl number of the coolant, Re _d is the Reynolds number associated with the average rate of fluid filtration through the porous material V

ν is the kinematic viscosity of the coolant. The speed V is determined from equation [7]

where a, b are the coefficients characteristic of the porous material, which are functions of d and P, H is the thickness of its layer in the filtration direction, Δp is the pressure drop of the liquid at the inlet and outlet of the porous layer (in our case, H = H _l , and the pressure drop at the edges of the porous layer almost coincides with the pressure difference in the inlet and outlet openings of the cavity, since the hydraulic resistance of the entire channel is mainly determined by porous inserts), ρ ₀ is the density of the liquid.

Соответствующее удельное тепловое сопротивление равно

Оптимальному соотношению больших значений α_V и малых потерь на преодоление гидравлического сопротивления удовлетворяют высокопористые ячеистые материалы с П = 0,5 - 0,7.The corresponding thermal resistivity is

Highly porous cellular materials with P = 0.5 - 0.7 satisfy the optimal ratio of large values of α _V and small losses to overcome hydraulic resistance.

3) Для модуля с микрокапиллярным слоем рассчетные формулы аналогичны случаю (1) с точностью до замены ν₁ на значение суммарной площади, покрываемой микрокапиллярами в пределах единицы площади поверхности пластины, а величина h принимает смысл среднего значения их эффективного диаметра.3) For a module with a microcapillary layer, the calculation formulas are similar to case (1) up to replacing ν ₁ with the value of the total area covered by microcapillaries within a unit surface area of the plate, and the value h takes on the mean value of their effective diameter.

Вариантом реализации предложенной конструкции может служить излучательный модуль, изготовленный на базе типовой ЛЛД, использовавшейся в экспериментах [8] . Она состоит из 50 одинаковых ЛД на основе AlGaAs с длиной резонатора 500 мкм и имеет геометрические параметры L = 10 мм, w = 0,1 мм, H_л = 0,5 мм. Среднее значение КПД составляет 25%. Теплоотводящая пластина выполняется из карбида кремния SiC с k₂ = 2,25 Вт/см•K. Профилированная выемка в ее поверхности может быть или вырезана лазерным лучом, или вытравлена фотолитографическим способом. Соединение ЛЛД с теплоотводящей пластинкой осуществляется или пайкой на основе многослойного припоя In-Mo-Ni толщиной около 6 мкм, или более совершенным методом контактно-реактивной эпитаксиальной пайки. В качестве охлаждающей жидкости используется вода ( ρ₀ 1 г/см³, ν = 0,01 см²/с, k₀ = 6,04•10^-3 Вт/см•K).An implementation option of the proposed design can be a radiating module made on the basis of a typical LLD used in experiments [8]. It consists of 50 identical AlGaAs-based LDs with a cavity length of 500 μm and has geometric parameters L = 10 mm, w = 0.1 mm, H _l = 0.5 mm. The average value of the efficiency is 25%. The heat sink plate is made of silicon carbide SiC with k ₂ = 2.25 W / cm • K. The profiled recess in its surface can either be cut out by a laser beam or etched by a photolithographic method. The connection of LLD with a heat-removing plate is carried out either by soldering based on an In-Mo-Ni multilayer solder with a thickness of about 6 μm, or by a more advanced contact-reactive epitaxial soldering method. Water is used as a coolant (ρ ₀ 1 g / cm ³ , ν = 0.01 cm ² / s, k ₀ = 6.04 • 10 ^-3 W / cm • K).

В соответствии с приведенными выше выражениями для такого модуля с использованием значений λ = 2 мкм, k₁ = 0,46 Вт/см•K, Δ p = 1 атм, Δ T = 10 K, r₁ = r₂ = 0,01 мм получаются следующие характерные значения мощности излучения P_изл и удельного теплового сопротивления R_Т.In accordance with the above expressions for such a module using the values λ = 2 μm, k ₁ = 0.46 W / cm • K, Δ p = 1 atm, Δ T = 10 K, r ₁ = r ₂ = 0.01 mm, the following characteristic values of the radiation power P _rad and the specific thermal resistance R _T are obtained.

1) Для модуля с решеткой щелевых каналов с l = s = 0,02 - 0,1 мм при вариации значений глубины каналов в интервале h = 0,25 - 1,5 мм (что соответствует плотности упаковки 5,9 - 22,2 см^-1) P_изл = 5 - 12,5 Вт, R_Т = (1,3 - 3,3)10^-2 K•см²/Вт.1) For a module with a lattice of slotted channels with l = s = 0.02 - 0.1 mm with variation of the channel depths in the range h = 0.25 - 1.5 mm (which corresponds to a packing density of 5.9 - 22.2 cm ^-1 ) P _rad = 5 - 12.5 W, R _T = (1.3 - 3.3) 10 ^-2 K • cm ² / W.

Хотя в данном случае величина R_Т не превосходит значения, достигнутого в прототипе, плотность упаковки существенно выше, что в конечном счете позволяет достигнуть более высоких значений полной мощности излучения МЛД.Although in this case the value of R _T does not exceed the value achieved in the prototype, the packing density is significantly higher, which ultimately allows to achieve higher values of the total radiation power of the MLD.

2) Для модуля с вставкой из высокопористого материала на основе меди или ее сплавов (k_c ^(m) ≈ 4 Вт/см•K) при d = 10 - 50 мкм, 0,5 < П < 0,7 с использованием зависимостей [7,9]
Nu_d = 0,004RePr,

a = 6•10⁹(1-П)²d^-2П^-3,
b = 9,23•10³(1-П)d^-1П^-3,7,
P_изл = (1,6 - 2,5)10² Вт,
R_Т = (0,67 - 1)10^-3 K•см²/Вт.2) For a module with an insert of highly porous material based on copper or its alloys (k _c ^(m) ≈ 4 W / cm • K) at d = 10 - 50 μm, 0.5 <P <0.7 using the dependences [ 7.9]
Nu _d = 0.004RePr,

a = 6 • 10 ⁹ (1-P) ² d ^-2 P ^-3 ,
b = 9.23 • 10 ³ (1-P) d ^-1 P ^-3.7 ,
P _rad = (1.6 - 2.5) 10 ² W,
R _T = (0.67 - 1) 10 ^-3 K • cm ² / W.

При этом характерная толщина пористого слоя составляет приблизительно (2 - 5)10^-3 см, что соответствует плотности упаковки ЛЛД (без учета соединительных слоев) в 66,7 - 83,3 см^-1. В данном варианте имеем существенное превосходство в значениях P_изл, R_Т и плотности упаковки по сравнению с прототипом.Moreover, the characteristic thickness of the porous layer is approximately (2 - 5) 10 ^-3 cm, which corresponds to the packing density of LLD (excluding the connecting layers) of 66.7 - 83.3 cm ^-1 . In this embodiment, we have a significant superiority in the values of P _rad , R _T and packing density in comparison with the prototype.

3) В модификации модуля, использующего микрокапиллярный слой, достигаются промежуточные по отношению к тем двум случаям значения P_изл и R_Т.3) In the modification of the module using the microcapillary layer, intermediate values of P _rad and R _{T are} achieved in relation to those two cases.

Литература
1. Байков И.С., Безотосный В.В. Прикл. физ. - 1995, N 2, с. 3-35. Зарубежн. электрон, техн. - 1995, N 2-3, с. 47-51.Literature
1. Baykov I.S., Bezotosny V.V. Adj physical - 1995, N 2, p. 3-35. Foreign electron, tech. - 1995, N 2-3, p. 47-51.

2. Кейси Х. , Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. В 2 т. - М.: Мир, 1981. 2. Casey H., Panish M. Lasers on heterostructures. In 2 vols. - M .: Mir, 1981.

3. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1988, v. 53, N 12, p. 1030-1032. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1990, v. 57, N., p. 2172. Bernstein M. Lasers & Optronics. - April 1991, p. 57-63. 3. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1988, v. 53, N 12, p. 1030-1032. Mundinger D., Beach R., Benett W.J. et al. Appl. Phys. Lett. - 1990, v. 57, N., p. 2172. Bernstein M. Lasers & Optronics. - April 1991, p. 57-63.

4. Nam D. W. , Waarts R.G., Welch D.F. et al. IEEE Phot. Tech. Lett. - 1993, v. 5, N 3, p. 281-284. 4. Nam D. W., Waarts R.G., Welch D.F. et al. IEEE Phot. Tech. Lett. - 1993, v. 5, N 3, p. 281-284.

5. Beach R., Benett W.J., Freitas B.L. et al. IEEE J. Quant. Electr. - 1992, v. 28, N 4, p. 966-975. 5. Beach R., Benett W.J., Freitas B.L. et al. IEEE J. Quant. Electr. - 1992, v. 28, N 4, p. 966-975.

6. Справочник по теплообменникам. В 2-х т. - М.: Машиностроение, 1987. 6. Handbook of heat exchangers. In 2 volumes - M.: Mechanical Engineering, 1987.

7. Пористые проницаемые материалы/Под ред. С.В. Белова. - 1987. 7. Porous permeable materials / Ed. S.V. Belova. - 1987.

8. Безотосный В.В., Коваль Ю.П. и др. Квантовая электроника. - 1995, т. 22, с. 101. Аполлонов В.В., Державин С.И. и др. Квантовая электроника. - 1997). 8. Bezotosny VV, Koval Yu.P. and other quantum electronics. - 1995, v. 22, p. 101. Apollonov V.V., Derzhavin S.I. and other quantum electronics. - 1997).

9. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. - 1988. 9. Polyaev V.M., Mayorov V.A., Vasiliev L.L. Hydrodynamics and heat transfer in porous structural elements of aircraft. - 1988.

Claims

1. A radiating module based on a line of laser diodes with a heat-removing plate attached to it from the active layer and made of highly heat-conducting material according to the size of the line, characterized in that a profiled recess is made in the surface of the plate within the area of its contact with the line in the form of an equidistant system direct slotted channels of the same cross section, oriented perpendicular to the longitudinal axis of the ruler, designed for pumping coolant.

2. The radiating module according to claim 1, characterized in that the volume of the channels is filled with an insert of microporous permeable material.

3. A radiating module based on a line of laser diodes with a heat-removing plate attached to it from the active layer, made of highly heat-conducting material according to the size of the ruler, characterized in that a layer of microcapillaries is made on the surface of the plate within the area of its contact with the ruler with respect to the longitudinal axis of the ruler orientation, which is designed to pump coolant.