RU2712764C1 - Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes - Google Patents
Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2712764C1 RU2712764C1 RU2019118174A RU2019118174A RU2712764C1 RU 2712764 C1 RU2712764 C1 RU 2712764C1 RU 2019118174 A RU2019118174 A RU 2019118174A RU 2019118174 A RU2019118174 A RU 2019118174A RU 2712764 C1 RU2712764 C1 RU 2712764C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser diodes
- metallized
- laser
- lines
- sides
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
- H01S5/02423—Liquid cooling, e.g. a liquid cools a mount of the laser
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к способу создания двумерной матрицы лазерных диодов и к двумерной матрице лазерных диодов, полученной данным способом.The present invention relates to a method for creating a two-dimensional matrix of laser diodes and to a two-dimensional matrix of laser diodes obtained by this method.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время известны различные способы создания двумерных матриц лазерных диодов.Currently, various methods are known for creating two-dimensional arrays of laser diodes.
В патенте РФ №2150164 (опубл. 27.05.2000) описана такая матрица, образованная из линеек лазерных диодов, прикрепленных каждая к теплоотводу, которые все установлены на теплообменнике. Недостатком этой конструкции является неравномерный отвод тепла от линейки лазерных диодов, происходящий сначала с одной стороны линейки к теплоотводу, а затем через узкую сторону теплоотвода к теплообменнику.In the patent of the Russian Federation No. 2150164 (publ. 27.05.2000) such a matrix is described, made up of lines of laser diodes, each attached to a heat sink, which are all mounted on a heat exchanger. The disadvantage of this design is the uneven heat removal from the line of laser diodes, which occurs first from one side of the line to the heat sink, and then through the narrow side of the heat sink to the heat exchanger.
Сходная конструкция (с тем же недостатком) представлена в патентах РФ №2130221 (опубл. 10.05.1999), №2169977 (опубл. 27.06.2001) и №2544875 (опубл. 20.03.2015), а также в патенте США №9031105 (опубл. 12.05.2015).A similar design (with the same drawback) is presented in RF patents No. 2130221 (publ. May 10, 1999), No. 2169977 (publ. June 27, 2001) and No. 2544875 (publ. March 20, 2015), as well as in US patent No. 9031105 ( publ. 05/12/2015).
В патенте США №5764675 (опубл. 09.06.1998) такая конструкция усовершенствована тем, что внутри теплоотводов протекает охлаждающая среда (жидкость или газ). По аналогичному принципу работает и устройство по заявке США №2018/0342854 (опубл. 29.11.2018). Однако и эти устройства имеют тот же недостаток - неравномерность отвода тепла, что приводит к неравномерному нагреву линеек лазерных диодов.In US patent No. 5764675 (publ. 09.06.1998), such a design is improved by the fact that a cooling medium (liquid or gas) flows inside the heat sinks. According to a similar principle, the device also works according to US application No. 2018/0342854 (publ. 11/29/2018). However, these devices also have the same drawback - uneven heat removal, which leads to uneven heating of the lines of laser diodes.
В патенте РФ №2153745 (опубл. 27.07.2000) предложена конструкция, позволяющая реализовать эффективный отвод тепла от активной области полупроводниковой лазерной гетероструктуры при двустороннем расположении теплоотводов, как со стороны эпитаксиальных слоев, так и со стороны подложки гетероструктуры. Недостатком такой конструкции является сложность ее изготовления, поскольку для существенного повышения эффективности отвода тепла от активной области при использовании дополнительного теплоотвода со стороны подложки требуется локальное или полное удаление подложки, а утонение гетероструктруры до требуемых толщин менее 20 микрон негативно сказывается на механической прочности лазерного кристалла, приводит к его значительной деформации вследствие термоупругих напряжений и снижает ресурсные параметры таких лазеров.In RF patent No. 2153745 (published on July 27, 2000), a design is proposed that makes it possible to realize effective heat removal from the active region of a semiconductor laser heterostructure with bilaterally located heat sinks, both from the side of the epitaxial layers and from the side of the heterostructure substrate. The disadvantage of this design is the complexity of its manufacture, since to significantly increase the efficiency of heat removal from the active region when using additional heat removal from the side of the substrate, local or complete removal of the substrate is required, and thinning of the heterostructure to the required thicknesses of less than 20 microns negatively affects the mechanical strength of the laser crystal, to its significant deformation due to thermoelastic stresses and reduces the resource parameters of such lasers.
В патенте США №6310900 (опубл. 30.10.2001) предложено использовать двусторонний отвод тепла от активной области лазерного кристалла. Теплоотводы в данной конструкции расположены как со стороны эпитаксиальных слоев, так и со стороны подложки гетероструктуры. Недостатком этой конструкции является невысокая суммарная эффективность отвода тепла от обеих сторон лазерного кристалла вследствие невысокой теплопроводности припоев при достаточно большой требуемой их толщине (около 50 мкм). Кроме того, такая конструкция не обеспечивает планарности и однородности тепловых потоков. От источника тепла - активной области лазерного чипа - тепло распространяется в двух противоположных направлениях по теплоотводящим элементам, при этом плотность потока тепла со стороны эпитаксиальных слоев существенно выше, чем со стороны подложки, вследствие меньшего теплового сопротивления. Кроме того, потоки тепла испытывают разворот на 90 градусов по направлению к базовому теплоотводящему элементу, что также увеличивает неоднородность отвода тепла по длине резонатора. Отсутствие утонения подложки до малых толщин существенно снижает эффективность отвода тепла со стороны подложки при ее типичной толщине 100-120 микрон.In US patent No. 6310900 (publ. 30.10.2001) it is proposed to use bilateral heat removal from the active region of the laser crystal. The heat sinks in this design are located both on the side of the epitaxial layers and on the side of the heterostructure substrate. The disadvantage of this design is the low total efficiency of heat removal from both sides of the laser crystal due to the low thermal conductivity of the solders with a sufficiently large required thickness (about 50 microns). In addition, this design does not provide planarity and uniformity of heat fluxes. From the heat source - the active region of the laser chip - the heat is distributed in two opposite directions along the heat-removing elements, while the heat flux density from the side of the epitaxial layers is significantly higher than from the side of the substrate, due to the lower thermal resistance. In addition, heat fluxes experience a 90-degree turn towards the base heat sink element, which also increases the heterogeneity of heat removal along the length of the resonator. The absence of thinning of the substrate to small thicknesses significantly reduces the efficiency of heat removal from the side of the substrate with its typical thickness of 100-120 microns.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения можно считать патент РФ №2119704 (опубл. 27.09.1998), в котором предлагается конструкция двумерной решетки линеек лазерных диодов, соединенных между собой по металлизированным поверхностям подложек и эпитаксиальных слоев. В данной конструкции чипы линеек лазерных диодов соединены электрически последовательно, а зеркала резонаторов линеек с одной из сторон решетки закреплены на теплоотводе, что дает высокий коэффициент заполнения излучающей апертуры и относительную простоту изготовления. Однако такое решение имеет недостаточную эффективность отвода тепла через зеркала резонаторов, что ограничивает применение такой конструкции только импульсным режимом. Кроме того, недостатком является неоднородность потока тепла по длине резонатора, разворот теплового потока на 90 градусов, а также технические сложности при присоединении чипов к теплоотводящему элементу со стороны глухих зеркал резонатора и связанная с этим проблема обеспечения ресурсного режима работы.The closest analogue of the present invention can be considered RF patent No. 2119704 (publ. 09/27/1998), which proposes the construction of a two-dimensional array of laser diode lines connected to each other along the metallized surfaces of the substrates and epitaxial layers. In this design, the chips of the lines of laser diodes are connected electrically in series, and the mirrors of the resonators of the lines on one side of the grating are mounted on the heat sink, which gives a high fill factor of the emitting aperture and the relative ease of manufacture. However, this solution has insufficient efficiency of heat removal through the mirrors of the resonators, which limits the use of such a design only to the pulsed mode. In addition, the disadvantage is the heterogeneity of the heat flux along the length of the resonator, a 90-degree turn of the heat flux, as well as technical difficulties in attaching chips to the heat-removing element from the side of the cavity resonator mirrors and the associated problem of providing a resource mode of operation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention
Таким образом, в настоящем изобретении решается задача усовершенствования известных аналогов и получение технического результата в виде расширения арсенала технических средств при более равномерном отведении тепла. Дополнительным техническим результатом может быть упрощение присоединения линеек лазерных диодов к теплоотводу.Thus, the present invention solves the problem of improving the known analogues and obtaining a technical result in the form of expanding the arsenal of technical means with a more uniform heat removal. An additional technical result may be the simplification of connecting the lines of laser diodes to the heat sink.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ создания двумерной матрицы лазерных диодов, заключающийся в том, что: обеспечивают линейки лазерных диодов, в каждой из которых металлизированные широкие стороны являются сторонами n-типа проводимости и р-типа проводимости, при этом линейки лазерных диодов имеют одинаковую длину резонаторов между противолежащими узкими сторонами, на которые нанесены глухое и выходное зеркала, соответственно; формируют на одной поверхности каждой из двух подложек, прозрачных по меньшей мере для излучения линеек лазерных диодов, параллельные металлизированные полоски с заданными шириной и шагом между ними; устанавливают линейки лазерных диодов одноименными зеркалами на соответствующих подложках так, чтобы обращенные друг к другу металлизированные широкие стороны линеек лазерных диодов соприкасались с металлизированными полосками; скрепляют металлизированные стороны линеек лазерных диодов с металлизированными полосками так, чтобы образовать последовательную электрическую цепь, в которой сторона р-типа проводимости одной из линеек лазерных диодов соединена со стороной n-типа проводимости соседней линейки лазерных диодов; при этом внешние выводы образованной последовательной электрической цепи служат для ее подключения к источнику питания; каналы между соседними линейками лазерных диодов служат для пропускания охлаждающей среды.To solve this problem and achieve the technical result, the first object of the present invention provides a method for creating a two-dimensional matrix of laser diodes, which consists in the following: they provide lines of laser diodes, in each of which the metallized wide sides are n-type conductivity and p-type sides conductivity, while the line of laser diodes have the same resonator length between opposite narrow sides, on which a blind and an output mirror are applied, respectively; form on the same surface of each of the two substrates transparent at least for the emission of the lines of laser diodes, parallel metallized strips with a given width and pitch between them; sets of laser diode arrays with mirrors of the same name on appropriate substrates so that the metallized wide sides of the laser diode arrays facing each other are in contact with the metallized strips; fasten the metallized sides of the lines of laser diodes with metallized strips so as to form a series electric circuit in which the p-type side of one of the lines of laser diodes is connected to the n-type side of the adjacent line of laser diodes; while the external terminals of the formed serial electrical circuit are used to connect it to a power source; channels between adjacent lines of laser diodes serve to pass the cooling medium.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что скрепление металлизированных сторон линеек лазерных диодов с металлизированными полосками могут осуществлять пайкой или сваркой. При этом для достижения вышеуказанного дополнительного технического результата пайку или сварку могут производить внешним лазером с помощью волоконных световодов, введенных в каналы между соседними линейками лазерных диодов, либо внешним лазером через подложки, прозрачные для излучения внешнего лазера.A feature of the method according to the first object of the present invention is that the fastening of the metallized sides of the lines of laser diodes with metallized stripes can be carried out by soldering or welding. Moreover, to achieve the above additional technical result, the soldering or welding can be performed by an external laser using fiber optic fibers introduced into the channels between adjacent lines of laser diodes, or by an external laser through substrates transparent to the radiation of an external laser.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложена двумерная матрица лазерных диодов, содержащая: две подложки, прозрачные по меньшей мере для излучения лазерных диодов, со сформированными на одной поверхности каждой из подложек параллельными металлизированными полосками с заданными шириной и шагом между ними; линейки лазерных диодов, в каждой из которых металлизированные широкие стороны являются сторонами n-типа проводимости и р-типа проводимости, при этом линейки лазерных диодов имеют одинаковую длину резонаторов, образованных глухим и выходным зеркалами, размещенными на противолежащих узких сторонах; линейки лазерных диодов установлены одноименными зеркалами на соответствующих подложках так, что обращенные друг к другу металлизированные широкие стороны линеек лазерных диодов соприкасаются с металлизированными полосками; металлизированные стороны линеек лазерных диодов скреплены с соответствующими металлизированными полосками, благодаря чему образована последовательная электрическая цепь из всех линеек лазерных диодов, в которой сторона р-типа проводимости одной из линеек лазерных диодов соединена со стороной n-типа проводимости соседней линейки лазерных диодов; внешние выводы последовательной цепи линеек лазерных диодов предназначены для подключения к источнику питания; каналы между соседними линейками лазерных диодов предназначены для пропускания охлаждающей среды.To solve the same problem and achieve the same technical result, the second object of the present invention proposes a two-dimensional matrix of laser diodes, comprising: two substrates, transparent at least to emit laser diodes, with parallel metallized strips formed on one surface of each of the substrates with a given width and a step between them; line of laser diodes, in each of which the metallized wide sides are sides of n-type conductivity and p-type conductivity, while the line of laser diodes have the same length of resonators formed by blind and output mirrors placed on opposite narrow sides; the laser diode lines are mounted with mirrors of the same name on the respective substrates so that the metallized wide sides of the laser diode lines facing each other are in contact with the metallized strips; the metallized sides of the laser diode arrays are bonded to the corresponding metallized strips, as a result of which a serial electric circuit is formed from all the laser diode arrays, in which the p-type side of one of the laser diode arrays is connected to the n-type side of the conductivity of the adjacent laser diode arrays; external conclusions of a serial chain of laser diode lines are intended for connection to a power source; channels between adjacent lines of laser diodes are designed to pass the cooling medium.
Особенность матрицы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что скрепление металлизированных сторон линеек лазерных диодов с металлизированными полосками может быть выполнено пайкой или сваркой.A feature of the matrix according to the second object of the present invention is that the fastening of the metallized sides of the lines of laser diodes with metallized stripes can be performed by soldering or welding.
Еще одна особенность матрицы по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что внешняя поверхность той подложки, к другой поверхности которой примыкают выходные зеркала, может быть выполнена волнообразной для формирования матрицы цилиндрических или асферических линз, обеспечивающих фокусировку излучения лазерных диодов.Another feature of the matrix according to the second object of the present invention is that the outer surface of that substrate, to the other surface of which the output mirrors adjoin, can be made wave-like to form a matrix of cylindrical or aspherical lenses that focus the radiation of laser diodes.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated by drawings, in which like elements are denoted by the same reference numerals.
На Фиг. 1 показан общий вид одного варианта осуществления двумерной матрицы лазерных диодов по второму объекту настоящего изобретения.In FIG. 1 shows a general view of one embodiment of a two-dimensional array of laser diodes according to a second aspect of the present invention.
На Фиг. 2 показан общий вид одной линейки лазерных диодов.In FIG. 2 shows a general view of one line of laser diodes.
На Фиг. 3 показаны варианты структуры металлизации на одной из подложек.In FIG. 3 shows variants of the metallization structure on one of the substrates.
На Фиг. 4 и 5 показаны варианты осуществления двумерной матрицы лазерных диодов по Фиг. 1 на виде с торца.In FIG. 4 and 5 show embodiments of a two-dimensional array of laser diodes of FIG. 1 in the end view.
На Фиг. 6 показан общий вид другого варианта осуществления матрицы лазерных диодов по второму объекту настоящего изобретения.In FIG. 6 is a perspective view of another embodiment of a laser diode array according to a second aspect of the present invention.
На Фиг. 7 показан вариант осуществления двумерной матрицы лазерных диодов по Фиг. 6 на виде с торца.In FIG. 7 shows an embodiment of a two-dimensional array of laser diodes of FIG. 6 in the end view.
Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments
В способе по первому объекту настоящего изобретения формируется двумерная матрица лазерных диодов по второму объекту настоящего изобретения, варианты которой показаны в общем виде на Фиг. 1 и 6.In the method according to the first object of the present invention, a two-dimensional array of laser diodes is formed according to the second object of the present invention, variants of which are shown in a general view in FIG. 1 and 6.
Матрица лазерных диодов набирается из линеек 1 лазерных диодов (далее по тексту используется название «линейка»). Каждая линейка 1 (Фиг. 2) состоит из полупроводниковых слоев и содержит р-n переход. Линейка 1 изготавливается по планарному циклу из полупроводниковых лазерных гетероструктур, например, на основе AlGaAs/GaAs, с излучением на длине волны 808 нм, или на основе InGaAs/AlGaAs, с излучением на длинах волн 980 или 940 нм. Линейка 1 содержит излучающие кластеры 4 (Фиг. 2). Линейки 1 металлизированы по их широким сторонам, одна из которых (видимая на Фиг. 1 и 2) является стороной р-типа проводимости, а другая - стороной n-типа проводимости. Линейки 1 имеют строго одинаковую длину резонатора между противоположными узкими сторонами (нижней и верхней на Фиг. 1 и 2). С этой целью они изготавливаются в одном технологическом цикле с помощью установки для скрайбирования и скола (Scriber-Breaker), например, фирмы Dynatek (США). При этом на одной из узких сторон (нижней на Фиг. 1 и 2) каждой линейки 1 нанесено глухое зеркало с коэффициентом отражения не менее 0,95, а на противоположной узкой стороне (верхней, видимой на Фиг. 1 и 2) нанесено выходное зеркало (условно не показано) с коэффициентом отражения примерно 0,03-0,1 (типично 0,05). Такие линейки лазерных диодов известны, например, из патента РФ №2455739 (опубл. 10.07.2012).The matrix of laser diodes is drawn from the lines of 1 laser diodes (hereinafter, the name "line" is used). Each line 1 (Fig. 2) consists of semiconductor layers and contains a pn junction.
Описанные линейки 1 устанавливаются между первой и второй подложками 2, 3 выполненными из материала, прозрачного для излучения кластеров 4 лазерных диодов (Фиг. 2). В принципе, материал обеих подложек 2, 3 может быть прозрачным и для других излучений. На одной поверхности каждой из этих подложек 2, 3 формируется структура металлизации в виде параллельных полосок 5 с заданными шириной и шагом между ними, которые поясняются далее. Фиг. 3 иллюстрирует варианты структуры металлизации на подложках 2 и 3, где ссылочной позицией 5 обозначены металлизированные полоски без припоя. Ссылочная позиция 10 отмечает дорожки припоя, нанесенные по краям металлизированных полосок 5 для варианта сборки матрицы методом пайки.The described
Линейки 1 устанавливают одноименными зеркалами на соответствующих подложках 2 и 3. То есть глухие зеркала всех линеек 1 размещают на первой подложке 2, а выходные зеркала всех линеек 1 размещают на второй подложке 3. Линейки 1 устанавливают так, чтобы обращенные друг к другу металлизированные широкие стороны в каждой паре соседних линеек 1 соприкасались с металлизированными полосками 5. При этом возможны различные варианты выполнения параллельных полосок 5 на подложках 2 и 3.
На Фиг. 4 показан вариант осуществления, в котором металлизированные полоски 5 на обеих подложках 2 и 3 имеют одинаковую ширину, определяющую в готовой матрице требуемую ширину каналов между соседними линейками 1 для протекания охлаждающей среды, и располагаются с зазором, равным толщине линейки 1. В результате, после скрепления металлизированных широких сторон линеек 1 с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3, образуется последовательная электрическая цепь из всех линеек 1, где сторона р-типа проводимости одной из линеек 1 соединена со стороной n-типа проводимости соседней линейки 1. На Фиг. 4 ссылочными позициями 6 и 7 обозначены внешние выводы получившейся последовательной цепи, предназначенные для подключения, положительного и отрицательного потенциалов напряжения питания соответственно к сторонам «р» и «n» типа проводимости лазерных линеек.In FIG. 4 shows an embodiment in which the
На Фиг. 5 показан другой вариант осуществления, в котором металлизированные полоски 5 на второй (верхней) подложке 3 имеют ту же ширину, что и в варианте по Фиг. 4, в то время как на первой (нижней) подложке 2 металлизированные полоски 5 имеют меньшую ширину, причем посередине каждой из металлизированных полосок 5 первой подложки 2 и второй подложки 3 имеется промежуток, равный толщине линейки 1. Кроме того, в центре металлизированных полосок 5 на первой подложке 2 имеются дополнительный промежуток. При этом, как и в предыдущем варианте осуществления, после скрепления металлизированных широких сторон линеек 1 с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3, образуется последовательная электрическая цепь из всех линеек 1. Внешние выводы 6 и 7 могут присоединяться к крайним металлизированным полоскам 5 на обеих подложках 2, 3.In FIG. 5 shows another embodiment in which the metallized strips 5 on the second (upper)
Упомянутое выше скрепление металлизированных широких сторон линеек 1 с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3 может осуществляться пайкой либо сваркой, как это известно специалистам. Пайка может осуществляться нагревом, либо внешним лазером через подложку 2, если ее материал прозрачен для излучения используемого внешнего лазера. При скреплении методом сварки обеспечивается упрочнение скрепления, а также более качественное присоединение линеек 1 к подложкам 2 и 3. Пайку или сварку могут также производить внешним лазером с помощью волоконных световодов, введенных в каналы между соседними линейками 1 лазерных диодов.The above-mentioned fastening of the metallized wide sides of the
На Фиг. 6 показан общий вид другого варианта осуществления двумерной матрицы лазерных диодов по второму объекту настоящего изобретения. В этом варианте осуществления внешняя поверхность второй (верхней) подложки 3, к которой с другой стороны примыкают выходные зеркала кластеров 4 лазерных диодов, выполнена волнообразной для формирования матрицы цилиндрических или асферических линз, обеспечивающих фокусировку излучения кластеров 4 в направлении, перпендикулярном плоскости р-n переходов. Термин «асферические» подразумевает не круглую в сечении форму поверхности, применяемую для устранения оптических аберраций. Отметим, что на чертежах ссылочные позиции 8 обозначают направление преимущественного излучения лазерных диодов 4, а ссылочные позиции 9 обозначают возможное направление протекания охлаждающей среды, в качестве которой могут использоваться непроводящие и химически инертные жидкости, в том числе жидкости с низкой температурой кипения, применяемые для прямого охлаждения электронных компонентов, а также инертные газы, в частности гелий. На Фиг. 7 показан вариант осуществления двумерной матрицы лазерных диодов по Фиг. 6 на виде с торца. На этом чертеже металлизированные полоски 5 на подложках 2 и 3 обращены друг на друга и расположены с зазором, равным толщине линейки 1. Скрепление может быть осуществлено, например, внешним лазером через волоконные световоды, введенные в каналы между соседними линейками 1. В случае, когда металлизированные полоски 5 размещены на первой (нижней) подложке 2 с зазорами (как на Фиг. 5), сварку или пайку внешним лазером можно осуществлять через подложку 2, материал которой прозрачен для излучения внешнего лазера. В случае скрепления пайкой на края полосок 5 могут быть нанесены дорожки 10 припоя, как показано на нескольких правых полосках на Фиг. 3. Специалистам понятно, что показанные на Фиг. 4, 5 и 7 варианты выполнения подложек 2, 3, варианты размещения металлизированных полосок 5, а также варианты выполнения внешних выводов 6 и 7 могут использоваться в любой комбинации.In FIG. 6 shows a general view of another embodiment of a two-dimensional array of laser diodes according to a second aspect of the present invention. In this embodiment, the outer surface of the second (upper)
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется в следующем виде.The method according to the first object of the present invention is implemented as follows.
Сначала изготавливают необходимое количество линеек 1 лазерных диодов, определяемое требуемой мощностью излучения изготавливаемой матрицы. Либо эти линейки 1 уже изготовлены, и тогда из них просто набирают нужно количество. В формуле изобретения для обозначения этого действия применено выражение «обеспечивают».First, the required number of
Одновременно, либо после этого действия, либо до него готовят две подложки 2 и 3, формируя на одной поверхности каждой из них структуру металлизации в виде параллельных полосок 5 с заданными шириной и шагом между этими полосками 5. Ширина этих металлизированных полосок 5 определяется требованиями получения заданной плотности мощности излучения от готовой матрицы и тепловым режимом работы лазерных линеек, определяемым параметрами потока охлаждающей среды (жидкости или газа). Шаг (зазор) между полосками 5 определяется тем, какая из возможных структур выбрана для реализации. Минимально возможный зазор между металлизированными полосками 5 равен толщине линейки 1, стандартная толщина которой составляет около 120 микрон. В качестве прозрачных пластин для подложек могут быть использованы "epi-ready" подложки из Al2O3, производимые в промышленных масштабах, пропускающие излучение кластеров 4 в спектральных диапазонах 0,8-0,98 мкм, а излучение лазеров в других спектральных диапазонах.At the same time, either after this action, or before it, two
При изготовлении второй подложки 3 ее «внешнюю» (относительно устанавливаемых затем линеек 1) сторону могут выполнять волнообразной для создания своеобразных линз, фокусирующих излучение лазерных диодов 4.In the manufacture of the
Между подложками 2 и 3 с нанесенными металлизированными полосками 5 устанавливают линейки 1 лазерных диодов одноименными зеркалами на соответствующей подложке 2 или 3. На показанных на Фиг. 1 и 6 вариантах осуществления глухие зеркала резонаторов линеек 1 расположены на первой подложке 2, а выходные зеркала - на второй подложке 3. При этом обращенные друг к другу металлизированные широкие стороны в каждой паре соседних линеек 1 соприкасаются с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3.Between the
После установки линеек 1 скрепляют их металлизированные широкие стороны с металлизированными полосками 5 так, чтобы образовать последовательную электрическую цепь, в которой сторона р-типа проводимости одной из линеек 1 соединена со стороной n-типа проводимости соседней линейки 1. Скрепление могут производить пайкой или сваркой. При сварке и при пайке можно использовать излучение внешнего лазера. Если материал подложек 2, 3 прозрачен для излучения внешнего лазера, сварку можно осуществлять через промежутки между металлизированными полосками 5 показанными на Фиг. 5 на нижней пластине 2. Кроме того, сварку можно проводить внешним лазером с волоконным выводом излучения при помощи волоконных световодов, помещенных в каналах для охлаждающей среды между соседними линейками. К крайним металлизированным полоскам 5 любым способом крепят внешние выводы 6, 7.After installing the
При работе полученной матрицы лазерных диодов в промежутки между параллельными линейками 1 пропускают охлаждающую среду в виде жидкости или газа. Благодаря этому линейки 1 эффективно охлаждаются с двух сторон равномерно по всей поверхности металлизации.When the resulting matrix of laser diodes is used, a cooling medium in the form of a liquid or gas is passed between the
Данное изобретение обеспечивает повышение мощности излучения и плотности мощности излучения, причем как в непрерывном режиме генерации, так и пиковой и средней плотности мощности излучения в импульсном режиме генерации за счет более эффективного и однородного непосредственного охлаждения линеек лазерных диодов потоком жидкости или газа в каналах заданной оптимальной ширины. При этом упрощается конструкция матрицы, повышается ее надежность, снижаются габариты и материалоемкость, исключается применение дорогостоящих в обработке и металлизации теплоотводящих элементов. Тем самым повышается выход годных изделий и их надежность, в том числе вследствие исключения высокотемпературных операций монтажа линеек на теплоотводящие элементы, что является причиной возникновения термоупругих напряжений, как в результате операций сборки, так и вследствие неоднородного нагрева линеек и теплоотводящих элементов в рабочем режиме.This invention provides an increase in radiation power and radiation power density, both in continuous generation mode and in peak and average radiation power density in pulsed generation mode due to more efficient and uniform direct cooling of laser diode arrays by a liquid or gas flow in channels of a given optimal width . At the same time, the design of the matrix is simplified, its reliability is increased, dimensions and material consumption are reduced, the use of heat-removing elements that are expensive in processing and metallization is excluded. This improves the yield of products and their reliability, including due to the exclusion of high-temperature operations of mounting the rulers on the heat-removing elements, which is the reason for the appearance of thermoelastic stresses, both as a result of assembly operations and due to the non-uniform heating of the rulers and heat-removing elements in the operating mode.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118174A RU2712764C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118174A RU2712764C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2712764C1 true RU2712764C1 (en) | 2020-01-31 |
Family
ID=69625549
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019118174A RU2712764C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2712764C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2754393C1 (en) * | 2020-11-12 | 2021-09-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Method for cooling a two-dimensional matrix of laser diodes, a device for its implementation and a connector |
| RU2757055C1 (en) * | 2021-04-06 | 2021-10-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5495490A (en) * | 1995-02-28 | 1996-02-27 | Mcdonnell Douglas Corporation | Immersion method and apparatus for cooling a semiconductor laser device |
| US5764675A (en) * | 1994-06-30 | 1998-06-09 | Juhala; Roland E. | Diode laser array |
| RU2119704C1 (en) * | 1994-07-29 | 1998-09-27 | Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН | Semiconductor laser |
| EP1286441B1 (en) * | 2001-08-21 | 2006-11-08 | Fanuc Ltd | Two-dimensional laser diode array |
-
2019
- 2019-06-11 RU RU2019118174A patent/RU2712764C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5764675A (en) * | 1994-06-30 | 1998-06-09 | Juhala; Roland E. | Diode laser array |
| RU2119704C1 (en) * | 1994-07-29 | 1998-09-27 | Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН | Semiconductor laser |
| US5495490A (en) * | 1995-02-28 | 1996-02-27 | Mcdonnell Douglas Corporation | Immersion method and apparatus for cooling a semiconductor laser device |
| EP1286441B1 (en) * | 2001-08-21 | 2006-11-08 | Fanuc Ltd | Two-dimensional laser diode array |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2754393C1 (en) * | 2020-11-12 | 2021-09-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Method for cooling a two-dimensional matrix of laser diodes, a device for its implementation and a connector |
| RU2757055C1 (en) * | 2021-04-06 | 2021-10-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5828683A (en) | High density, optically corrected, micro-channel cooled, v-groove monolithic laser diode array | |
| US6970485B1 (en) | Cooling device, semiconductor laser light source device, semiconductor laser source unit, method of manufacturing semiconductor laser light source unit and solid state laser device | |
| US7724791B2 (en) | Method of manufacturing laser diode packages and arrays | |
| JP3386963B2 (en) | Manufacturing method of laser diode device | |
| US5325384A (en) | Structure and method for mounting laser diode arrays | |
| US5099488A (en) | Ribbed submounts for two dimensional stacked laser array | |
| US4315225A (en) | Heat sink laser diode array | |
| US5930279A (en) | Diode laser device arranged in the form of semiconductor arrays | |
| US5311530A (en) | Semiconductor laser array | |
| US4393393A (en) | Laser diode with double sided heat sink | |
| EP3292598B1 (en) | Multi-emitter diode laser package | |
| JPH11340581A (en) | Laser diode packaging | |
| JPH0629623A (en) | Monolithic laser diode array and its manufacture | |
| US20070217469A1 (en) | Laser diode stack side-pumped solid state laser | |
| US20070217470A1 (en) | Laser diode stack end-pumped solid state laser | |
| RU2712764C1 (en) | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes | |
| US10186833B2 (en) | Densely-spaced laser diode configurations | |
| JP6580244B2 (en) | Semiconductor laser light source device | |
| US6266353B1 (en) | Monolithic laser diode array with one metalized sidewall | |
| US9054482B1 (en) | Laser diode stack assembly and method of manufacturing | |
| US9917413B2 (en) | Cooling apparatus for diode-laser bars | |
| WO2017126035A1 (en) | Laser light source device and manufacturing method thereof | |
| CN113437637A (en) | Laser and preparation method thereof | |
| CN209913232U (en) | Semiconductor laser pumping source packaging structure | |
| JPH036875A (en) | Semiconductor laser |