RU2757055C1 - Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly - Google Patents
Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757055C1 RU2757055C1 RU2021109490A RU2021109490A RU2757055C1 RU 2757055 C1 RU2757055 C1 RU 2757055C1 RU 2021109490 A RU2021109490 A RU 2021109490A RU 2021109490 A RU2021109490 A RU 2021109490A RU 2757055 C1 RU2757055 C1 RU 2757055C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lines
- length
- substrates
- width
- rulers
- 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
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к двумерной матрице лазерных диодов и способу сборки такой матрицы.The present invention relates to a two-dimensional array of laser diodes and a method for assembling such an array.
Уровень техникиState of the art
Двумерные наборные матрицы лазерных диодов применяются как самостоятельные излучатели, так и в качестве элементов систем накачки современных мощных твердотельных лазеров. При этом важной проблемой при создании и эксплуатации таких матриц является обеспечение эффективного теплоотвода. Известны различные конструкции матриц лазерных диодов, решающие эту проблему.Two-dimensional stacked arrays of laser diodes are used both as independent emitters and as elements of pumping systems for modern high-power solid-state lasers. At the same time, an important problem in the creation and operation of such matrices is to ensure efficient heat removal. Various designs of laser diode arrays are known to solve this problem.
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.RF patent No. 2153745 (publ. 07/27/2000) proposes a design that allows efficient heat removal from the active region of a semiconductor laser heterostructure with a two-sided arrangement of heat sinks, both from the epitaxial layers and from the substrate of the heterostructure. 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 substrate side, local or complete removal of the substrate is required, and the thinning of the heterostructure to the required thickness 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 two-sided heat removal from the active region of the laser crystal. 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 at a sufficiently large required thickness (about 50 μm). In addition, this design does not provide for the planarity and uniformity of heat fluxes. From the heat source - the active region of the laser chip - heat propagates in two opposite directions along the heat sink 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, the heat fluxes undergo a 90 degree turn towards the base heat sink, which also increases the heat dissipation inhomogeneity along the length of the resonator. The lack of thinning of the substrate to small thicknesses significantly reduces the efficiency of heat removal from the side of the substrate at its typical thickness of 100-120 microns.
В патенте РФ №2119704 (опубл. 27.09.1998) предложена 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.RF patent No. 2119704 (publ. 09/27/1998) proposes a design of a two-dimensional array of laser diode arrays connected to each other along the metallized surfaces of substrates and epitaxial layers. In this design, the chips of the laser diode lines are electrically connected in series, and the resonator mirrors of the lines on one side of the array are fixed to a heat sink, which gives a high fill factor of the emitting aperture and relative ease of manufacture. However, such a solution has insufficient efficiency of heat removal through the resonator mirrors, which limits the use of such a design only in a pulsed mode. In addition, the disadvantage is the inhomogeneity of the heat flux along the length of the resonator, the turn of the heat flux by 90 degrees, as well as technical difficulties in attaching the chips to the heat-removing element from the side of the cavity mirrors and the related problem of ensuring the resource mode of operation.
Наиболее близким аналогом можно считать патент РФ №2712764 (опубл. 31.01.2020), в котором описаны способ создания двумерной матрицы лазерных диодов и матрица, создаваемая этим способом. Двумерная матрица лазерных диодов содержит: линейки лазерных диодов одинаковых размеров, длина каждой из которых равна ширине излучающей апертуры, с металлизацией на широких сторонах по всей длине резонаторов между зеркалами на противолежащих излучающих апертурах; две подложки из диэлектрического материала, прозрачного для излучения линеек лазерных диодов, со сформированными на одной поверхности каждой из подложек параллельными металлизированными полосками с шагом между ними, соответствующим толщине линеек, устанавливаемых между обеими подложками, и шириной, равной образующимся зазорам между линейками, причем широкие стороны всех линеек с одноименным типом проводимости обращены в одном направлении; причем промежутки между линейками лазерных диодов предназначены для пропускания охлаждающей среды; металлизации на широких сторонах линеек лазерных диодов скреплены с соответствующими металлизированными полосками на подложках с образованием из всех линеек лазерных диодов последовательной электрической цепи, в которой внешние выводы служат для ее подключения к источнику питания.The closest analogue can be considered RF patent No. 2712764 (publ. 01/31/2020), which describes a method for creating a two-dimensional array of laser diodes and a matrix created by this method. The two-dimensional array of laser diodes contains: laser diode lines of the same size, the length of each of which is equal to the width of the emitting aperture, with metallization on wide sides along the entire length of the resonators between mirrors on opposite emitting apertures; two substrates of a dielectric material, transparent for the emission of laser diode lines, with parallel metallized stripes formed on one surface of each of the substrates with a pitch between them corresponding to the thickness of the lines installed between the two substrates and a width equal to the resulting gaps between the lines, with wide sides all lines with the same type of conductivity are facing in the same direction; moreover, the gaps between the lines of laser diodes are designed to pass the cooling medium; metallization on the wide sides of the laser diode strips are bonded to the corresponding metallized strips on the substrates to form a serial electric circuit from all the laser diode strips, in which the external leads are used to connect it to a power source.
Способ сборки такой матрицы заключается в том, что: обеспечивают линейки лазерных диодов одинаковых размеров, длина каждой из которых равна ширине излучающей апертуры матрицы, с резонаторами, образованными зеркалами на противолежащих узких сторонах линеек лазерных диодов, и наносят металлизацию на широкие стороны каждой из этих линеек; обеспечивают две подложки, прозрачные для излучения лазерных диодов, и наносят на одну сторону каждой из подложек параллельные металлизированные полоски с шириной, соответствующей толщине каждой линейки лазерных диодов, и с заданным 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 на подложках; скрепляют металлизированные широкие 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.The method for assembling such a matrix consists in the following: they provide lines of laser diodes of the same size, the length of each of which is equal to the width of the emitting aperture of the matrix, with resonators formed by mirrors on opposite narrow sides of the lines of laser diodes, and metallization is applied to the wide sides of each of these lines ; provide two substrates, transparent for the radiation of laser diodes, and deposited on one side of each of the substrates parallel metallized strips with a width corresponding to the thickness of each line of laser diodes, and with a predetermined pitch between them; installing laser diode lines with mirrors of the same name on corresponding substrates so that the metallized wide sides of the laser diode lines facing each other are in contact with the metallized stripes on the substrates; fasten the metallized wide sides of the laser diode lines with metallized stripes so as to form a series electrical 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 series electrical circuit serve to connect it to a power source; the channels between adjacent lines of laser diodes serve to pass the cooling medium.
Такое техническое решение позволяет значительно повысить плотность мощности излучения двумерной матрицы лазерных диодов за счет применения прямого охлаждения линеек лазерных диодов (ЛЛД) потоком теплоносителя и принудительного охлаждения зеркал резонаторов ЛЛД с помощью их теплового контакта с охлаждаемыми теплоносителем элементами конструкции.This technical solution makes it possible to significantly increase the radiation power density of a two-dimensional array of laser diodes through the use of direct cooling of laser diode (LD) arrays with a coolant flow and forced cooling of the LDB resonator mirrors by means of their thermal contact with coolant-cooled structural elements.
Однако эта конструкция обладает следующими недостатками.However, this design has the following disadvantages.
Во-первых, более мощные ЛЛД должны накачиваться значительно большим током накачки, что в указанной конструкции проблематично, т.к. в ней ток к кристаллам ЛЛД подводится с двух сторон чипа вблизи зеркал резонаторов через металлизацию, нанесенную на поверхность сапфировых пластин, соединяя все ЛЛД в матрице электрически последовательно. Внешние электрические выводы в указанной конструкции матрицы имеют недостаточное сечение для пропускания больших токов, что также повышает электрическое сопротивление цепи питания.First, more powerful LLDs must be pumped with a much higher pump current, which is problematic in this design, since in it, the current to the LLD crystals is supplied from both sides of the chip near the resonator mirrors through the metallization deposited on the surface of the sapphire plates, connecting all the LLDs in the matrix electrically in series. External electrical leads in the indicated design of the matrix have an insufficient cross-section for the passage of large currents, which also increases the electrical resistance of the power circuit.
Для пропускания по цепи питания больших токов накачки через включенные электрически последовательно ЛЛД требуется учитывать значительные омические потери (I2R) на подводящей ток I накачки металлизации, которые растут по закону Ома квадратично в зависимости от величины тока I и линейно от сопротивления R. Снизить омические потери возможно путем уменьшения электрического сопротивления металлизации R=ρl/S (где ρ - удельное сопротивление, l - длина, S - площадь поперечного сечения металлизации). Варьируемая длина металлизации конструктивно обусловлена шириной каналов охлаждения, ее ширина зафиксирована и равна ширине стандартной излучающей апертуры ЛЛД, которая составляет 10 мм.To pass high pump currents through the power supply circuit through the electrically connected LDBs, it is necessary to take into account the significant ohmic losses (I 2 R) on the metallization pumping current I, which grow according to Ohm's law quadratically depending on the current I and linearly on the resistance R. Reduce the ohmic losses are possible by reducing the electrical resistance of metallization R = ρl / S (where ρ is the resistivity, l is the length, S is the cross-sectional area of the metallization). The varying length of metallization is structurally determined by the width of the cooling channels; its width is fixed and is equal to the width of the standard emitting aperture of the LDB, which is 10 mm.
Удельное сопротивление металлизации определяются составом материала и технологией его нанесения, поэтому существенно уменьшить сопротивление можно только путем увеличения толщины металлизации. Толщина металлизации на сапфировых пластинах, определяющая площадь ее поперечного сечения, ограничена технологическими параметрами, в том числе величиной адгезии, пористостью и требуемыми прочностью и долговременной стабильностью при пропускании через нее токов высокой плотности. Кроме того, более мощные ЛЛД имеют большую длину резонатора, при которой возрастает неоднородность растекания тока накачки от металлизации на сапфировых пластинах по металлизированным поверхностям ЛЛД, причем проблема обостряется при увеличении тока накачки. Обеспечение равномерного растекания тока накачки для повышения однородности распределения накачки по площади поверхностей ЛЛД является необходимым условием получения высокого к.п.д. и высокой выходной мощности излучения ЛЛД и матрицы в целом.The specific resistance of metallization is determined by the composition of the material and the technology of its application; therefore, the resistance can be significantly reduced only by increasing the thickness of the metallization. The thickness of metallization on sapphire plates, which determines its cross-sectional area, is limited by technological parameters, including the amount of adhesion, porosity, and the required strength and long-term stability when high-density currents are passed through it. In addition, more powerful LLDs have a longer resonator length, at which the inhomogeneity of the pump current spreading from metallization on sapphire plates over metallized LLD surfaces increases, and the problem becomes more acute with an increase in the pump current. Ensuring uniform spreading of the pump current to increase the uniformity of the pump distribution over the area of the LLD surfaces is a necessary condition for obtaining high efficiency. and high output radiation power of the LDB and the matrix as a whole.
Проблема обеспечения однородного растекания больших токов накачки по поверхностям ЛЛД в рассматриваемой конструкции не может быть решена путем значительного увеличения толщины металлизации, поскольку такое решение сопряжено с технологическими ограничениями при изготовлении чипов ЛЛД.The problem of ensuring uniform spreading of high pump currents over the surfaces of the LDB in the design under consideration cannot be solved by a significant increase in the metallization thickness, since this solution is associated with technological limitations in the manufacture of LDB chips.
Во-вторых, при увеличении длины резонатора до 5-6 мм кристаллы ЛЛД уже не обладают достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать перепады давления теплоносителя в омывающих их соседних каналах охлаждения. В особенности эта ситуация актуальна для встречных потоков теплоносителя, при которых перепады давления в соседних каналах, согласно расчетам, могут быть значительными. В случае применения в каналах охлаждения матрицы турбулентных потоков теплоносителя, являющихся наиболее эффективными для удаления тепла от нагретых поверхностей ЛЛД, гидродинамические эффекты могут приводить также к кавитации и соответственно к нежелательным вибрациям, негативно влияющим на надежность и ресурс устройства.Second, with an increase in the length of the resonator to 5-6 mm, the LLD crystals no longer have sufficient mechanical strength to withstand the pressure drops of the coolant in the adjacent cooling channels washing them. In particular, this situation is relevant for counterflows of the coolant, at which the pressure drops in adjacent channels, according to calculations, can be significant. If turbulent coolant flows are used in the cooling channels of the matrix, which are most effective for removing heat from the heated surfaces of the LDB, hydrodynamic effects can also lead to cavitation and, accordingly, to undesirable vibrations that negatively affect the reliability and service life of the device.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении указанных недостатков ближайшего аналога с достижением технического результата, заключающегося в повышении плотности мощности излучения матрицы при обеспечении требуемой надежности и срока службы.The objective of the present invention is to overcome the indicated disadvantages of the closest analogue with the achievement of the technical result, which consists in increasing the radiation power density of the matrix while ensuring the required reliability and service life.
Для решения этой задачи и достижения отмеченного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложена двумерная матрица лазерных диодов, содержащая: линейки лазерных диодов (далее - линейки) одинаковых размеров, длина каждой из которых равна ширине излучающей апертуры, с металлизацией на широких сторонах по всей длине резонаторов между зеркалами на противолежащих излучающих апертурах; две подложки из диэлектрического материала, прозрачного для излучения линеек, со сформированными на одной поверхности каждой из подложек параллельными металлизированными полосками с шагом между ними, соответствующим толщине линеек, устанавливаемых между обеими подложками, и шириной, равной образующимся зазорам между линейками, причем широкие стороны всех линеек с одноименным типом проводимости обращены в одном направлении; две металлические стенки, установленные параллельно линейкам с образованием промежутков с заданным зазором от крайних линеек; металлические проставки, длина каждой из которых не менее длины линеек, ширина составляет заданную долю от длины резонаторов, а толщина равна зазору, размещенные по меньшей мере по одной параллельно подложкам в промежутках между линейками, предназначенных для пропускания охлаждающей среды; металлизации на широких сторонах линеек и металлические стенки скреплены с металлическими проставками, размещенными между линейками, и с соответствующими металлизированными полосками на подложках с образованием из всех линеек последовательной электрической цепи, в которой металлические стенки являются внешними выводами для подключения к источнику питания.To solve this problem and achieve the noted technical result in the first object of the present invention, a two-dimensional matrix of laser diodes is proposed, containing: lines of laser diodes (hereinafter referred to as lines) of the same dimensions, the length of each of which is equal to the width of the emitting aperture, with metallization on wide sides along the entire length resonators between mirrors on opposite emitting apertures; two substrates of a dielectric material transparent for the radiation of the lines, with parallel metallized strips formed on one surface of each of the substrates with a pitch between them corresponding to the thickness of the lines installed between both substrates and a width equal to the resulting gaps between the lines, with the wide sides of all the lines with the same type of conductivity facing in the same direction; two metal walls installed parallel to the rulers with the formation of gaps with a given gap from the extreme rulers; metal spacers, the length of each of which is not less than the length of the bars, the width is a predetermined fraction of the length of the resonators, and the thickness is equal to the gap, placed at least one parallel to the substrates in the intervals between the bars intended for the passage of the cooling medium; metallization on the wide sides of the rulers and the metal walls are fastened with metal spacers placed between the rulers and with the corresponding metallized strips on the substrates to form a serial electrical circuit from all the lines, in which the metal walls are external terminals for connecting to a power source.
Особенность матрицы по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что грани проставок, предназначенные для контактирования с охлаждающей средой, могут быть выполнены с заданной степенью шероховатости.A feature of the matrix according to the first aspect of the present invention is that the edges of the spacers intended for contact with the cooling medium can be made with a predetermined degree of roughness.
Другая особенность матрицы по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что каждая из проставок может быть скреплена с металлизацией по меньшей мере одной из линеек сваркой или пайкой.Another feature of the matrix according to the first aspect of the present invention is that each of the spacers can be bonded with metallization of at least one of the lines by welding or brazing.
Еще одна особенность матрицы по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что скрепление линеек и металлических стенок с соответствующими металлизированными полосками на подложках может быть выполнено пайкой или сваркой.Another feature of the matrix according to the first aspect of the present invention is that the bonding of the rulers and metal walls to the corresponding metallized strips on the substrates can be performed by soldering or welding.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ сборки матрицы по первому объекту настоящего изобретения, заключающийся в том, что: а) обеспечивают линейки лазерных диодов (далее - линейки) одинаковых размеров, длина каждой из которых равна ширине излучающей апертуры матрицы, с резонаторами, образованными зеркалами на противолежащих узких сторонах линеек, и наносят металлизацию на широкие стороны каждой из линеек; б) формируют металлические проставки заданной толщины, длина каждой из которых не менее длины линейки, а ширина составляет заданную долю от длины резонаторов, и наносят металлизацию на проставки; в) обеспечивают две металлические стенки, длина каждой из которых не менее длины линеек, а ширина не менее длины резонатора, и наносят металлизацию на обе металлические стенки; г) укладывают между металлическими стенками стопу из линеек, разделяя их одну от другой и от металлических стенок проставками, размещая их по меньшей мере по одной параллельно длинным сторонам линеек, ориентированных широкими сторонами с одноименным типом проводимости в одном направлении, в результате чего формируют в стопе промежутки для пропускания охлаждающей среды; д) обеспечивают две подложки, прозрачные для излучения лазерных диодов, и наносят на одну сторону каждой из подложек параллельные металлизированные полоски с шириной, соответствующей толщине каждой линейки, и с шагом между ними, соответствующим сформированным промежуткам в стопе; е) размещают подложки на стопе так, чтобы зеркала линеек попали между металлизированными полосками подложек, формируя матрицу; ж) скрепляют сформированную матрицу.To solve the same problem and achieve the same technical result in the second aspect of the present invention, a method for assembling a matrix according to the first aspect of the present invention is proposed, which consists in the following: equal to the width of the radiating aperture of the matrix, with resonators formed by mirrors on opposite narrow sides of the rulers, and metallization is applied to the wide sides of each of the rulers; b) metal spacers of a given thickness are formed, the length of each of which is not less than the length of the ruler, and the width is a specified fraction of the length of the resonators, and metallization is applied to the spacers; c) provide two metal walls, the length of each of which is not less than the length of the lines, and the width is not less than the length of the resonator, and metallization is applied to both metal walls; d) a stack of rulers is laid between the metal walls, separating them from one another and from the metal walls with spacers, placing them at least one parallel to the long sides of the rulers, oriented by wide sides with the same type of conductivity in one direction, as a result of which they are formed in the stack gaps for the passage of the cooling medium; e) two substrates are provided that are transparent for the emission of laser diodes, and parallel metallized strips are applied to one side of each of the substrates with a width corresponding to the thickness of each line and with a pitch between them corresponding to the formed gaps in the stack; f) placing the substrates on the stack so that the mirrors of the lines fall between the metallized strips of the substrates, forming a matrix; g) fasten the formed matrix.
Особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в операциях а)-в) и д) могут включать в состав металлизации наружный слой припоя, а операцию ж) могут выполнять пайкой в вакуумной печи.A feature of the method according to the second aspect of the present invention is that in operations a) -c) and e) an outer layer of solder can be included in the metallization composition, and operation g) can be performed by brazing in a vacuum furnace.
Другая особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что вакуумную печь после откачки воздуха могут заполнять водородом или инертным газом, после чего и выполняют пайку.Another feature of the method according to the second aspect of the present invention is that the vacuum furnace, after evacuation of air, can be filled with hydrogen or inert gas, after which brazing is performed.
Еще одна особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что после операции е) могут помещают сформированную матрицу в оснастку, создающую заданное давление на подложки и металлические стенки, после чего и выполняют пайку в вакуумной печи.Another feature of the method according to the second aspect of the present invention is that after step f) the formed matrix can be placed in a tooling that creates a predetermined pressure on the substrates and metal walls, after which brazing is performed in a vacuum furnace.
Наконец, еще одна особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в операции б) в листе металла заданной толщины, длина которого превышает длину линейки, а ширина равна длине резонатора, могут высекать прямоугольные отверстия, длина которых равна длине линейки, а ширина выбрана для обеспечения последующей операции г), при этом надсекают лист по его ширине на концах прямоугольных отверстий, и после выполнения операции г) или ж) отламывают или отрезают выступающие части всех упомянутых листов металла по надсечкам.Finally, another feature of the method according to the second object of the present invention is that in step b) in a sheet of metal of a given thickness, the length of which exceeds the length of the ruler, and the width is equal to the length of the resonator, rectangular holes can be punched out, the length of which is equal to the length of the ruler, and the width is selected to ensure the subsequent operation d), while the sheet is notched along its width at the ends of the rectangular holes, and after performing the operation d) or g) the protruding parts of all the mentioned metal sheets are broken off or cut off along the notches.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены и одними теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated in the accompanying drawings, in which like elements are designated with the same reference numbers.
На Фиг. 1 показаны элементы, из которых собирается матрица лазерных диодов согласно настоящему изобретению.FIG. 1 shows the elements from which an array of laser diodes is assembled according to the present invention.
На Фиг. 2 условно показано формирование матрицы диодов согласно настоящему изобретению.FIG. 2 schematically shows the formation of a diode array according to the present invention.
На Фиг. 3-7 показаны в поперечных сечениях разные варианты сборки матрицы лазерных диодов согласно настоящему изобретению.FIG. 3-7 are cross-sectional views of various embodiments of a laser diode array assembly according to the present invention.
Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments
На Фиг. 1 условно изображены элементы, из которых собирается двумерная матрица лазерных диодов согласно настоящему изобретению.FIG. 1 schematically depicts the elements from which a two-dimensional array of laser diodes is assembled according to the present invention.
Ссылочной позицией 1 обозначена линейка лазерных диодов (в последующем тексте упоминаемая как линейка), на верхней (на Фиг. 1а) грани которой условно показаны излучающие выходы лазерных диодов. Линейки 1, из которых набирается матрица лазерных диодов, формируются известным методом аналогично тому, как описано в ближайшем аналоге (патент РФ №2712764).
Латинскими буквами W, L и d обозначены, соответственно, длина, ширина и толщина линейки 1. Длина L линейки равна ширине излучающей апертуры матрицы лазерных диодов, набранной из нескольких таких линеек, установленных параллельно одна другой верхними (по Фиг. 1а) гранями в одну и ту же сторону. При этом верхняя и нижняя грани каждой линейки 1 являются зеркалами, определяющими длину резонаторов между ними, равную ширине L линейки 1. Иными словами, резонаторы лазерных диодов в каждой линейке 1 ориентированы по вертикали на Фиг. 1а.Latin letters W, L and d denote, respectively, the length, width and thickness of the
На широкие грани каждой линейки 1 нанесена металлизация, не показанная на чертежах, чтобы не усложнять их. Эта металлизация выполняется по технологии, раскрытой в вышеуказанных аналогах, в отличие от упоминаемой далее металлизации, обозначенной на чертежах ссылочной позицией 5.On the wide edges of each
Толщина d металлизированной линейки 1 определяет шаг между параллельными металлизированными полосками 5 (металлизация на всех чертежах показана пятнистыми полосками), нанесенными на одну сторону каждой из двух подложек 4, выполненных из диэлектрического материала, прозрачного для излучения линеек 1. Ширина каждой полоски 5 металлизации на подложке 4 (Фиг. 1г) равна зазорам, образующимся между параллельными линейками 1 при их установке между подложками 4.The thickness d of the metallized
На Фиг. 1д ссылочной позицией 3 обозначена одна из двух металлических стенок, которые в матрице устанавливаются параллельно крайним линейкам 1 с таким же зазором от них, что и между линейками 1. Получающиеся в результате промежутки между линейками 1 и между стенками 3 и крайними линейками 1 в их наборе предназначены для пропускания охлаждающей среды в готовой матрице лазерных диодов.FIG. 1e,
Принципиальным отличием матрицы лазерных диодов по настоящему изобретению является использование металлических стенок 3 и проставок (2) между линейками 1. Их необходимость обусловлена следующими соображениями.The fundamental difference between the matrix of laser diodes according to the present invention is the use of
В вышеуказанном ближайшем аналоге (патент РФ №2712764) за счет отвода тепла от линеек лазерных диодов, работающих в составе двумерной матрицы лазерных диодов, методом конвекционного охлаждения потоком теплоносителя удалось получить расчетный уровень непрерывной мощности излучения в ресурсном режиме от одной линейки лазерных диодов близким к 1 кВт при температуре теплоносителя 15°С. Расчетная плотность мощности такой матрицы в непрерывном режиме составляет 5 кВт с 1 см. Путем увеличения длины резонатора ЛЛД до 6 мм и при соответствующем увеличении мощности каждой линейки до 250 Вт, а также при уменьшении ширины канала до 0,05 мм расчетная плотность мощности излучения может быть повышена до 15 кВт с 1 см. На основе одной такой матрицы лазерных диодов можно, в частности, изготовить промышленный лазер для обработки материалов.In the aforementioned closest analogue (RF patent No. 2712764), due to heat removal from the lines of laser diodes operating as part of a two-dimensional array of laser diodes, by convection cooling with a coolant flow, it was possible to obtain the calculated level of continuous radiation power in the resource mode from one line of laser diodes close to 1 kW at a coolant temperature of 15 ° C. The calculated power density of such a matrix in the continuous mode is 5 kW per cm. By increasing the length of the LLD resonator to 6 mm and with a corresponding increase in the power of each bar to 250 W, as well as by reducing the channel width to 0.05 mm, the calculated radiation power density can can be increased to 15 kW from 1 cm. On the basis of one such matrix of laser diodes, it is possible, in particular, to manufacture an industrial laser for material processing.
Однако для практической реализации матриц с указанным уровнем мощности конструкция, раскрытая в ближайшем аналоге, должна быть существенно модифицирована.However, for the practical implementation of matrices with the specified power level, the design disclosed in the closest analogue must be significantly modified.
Во-первых, более мощные линейки лазерных диодов должны запитываться соответствующим током накачки, составляющим около 150 А. В конструкции по ближайшему аналогу ток к кристаллам лазерных диодов подводится с двух сторон линейки вблизи зеркал резонаторов через металлизацию, нанесенную на поверхность сапфировых подложек, когда все линейки матрицы электрически соединены последовательно. Для получения более высокой мощности от каждой линейки 1 на уровне 250-280 Вт потребуются еще большие токи накачки, около 200 А. Между тем, толщина металлизации на сапфировых пластинах ограничена технологическими параметрами, в том числе прочностью, пористостью и величиной адгезии, поэтому электрическое сопротивление металлизации начинает играть существенную роль в общих омических потерях цепи питания, квадратично возрастая с ростом тока накачки, что для больших токов накачки недопустимо. Кроме того, толщина металлизации на линейках также ограничена технологическими параметрами, в частности требованиями к скалыванию зеркал резонаторов в процессе их изготовления. При больших токах накачки возрастает сопротивление этой металлизации при растекании тока питания по поверхностям линейки. Это препятствует обеспечению однородности в распределении тока накачки по площади поверхности линейки, что является необходимым условием получения высокого к.п.д. и высокой выходной мощности излучения.First, more powerful laser diode arrays must be supplied with a corresponding pump current of about 150 A. matrices are electrically connected in series. To obtain a higher power from each
Во-вторых, при длине резонатора 5-6 мм кристаллы линейки лазерных диодов уже не обладают достаточной механической прочностью, чтобы надежно выдерживать перепады давления теплоносителя в омывающих их соседних каналах охлаждения, особенно при турбулентных режимах протекания теплоносителя.Secondly, with a resonator length of 5-6 mm, the crystals of the laser diode line no longer have sufficient mechanical strength to reliably withstand the pressure drops of the coolant in the adjacent cooling channels washing them, especially in turbulent modes of coolant flow.
Обе указанные проблемы успешно решаются введением металлических проставок между линейками 1. На Фиг. 1б показана металлическая пластинка 2, толщина которой (с нанесенной на нее металлизацией, не показанной на Фиг. 1в) соответствует ширине металлизированной полоски 5 на подложке 4, т.е. ширине зазора между линейками 1, установленными между подложками 4. В пластинке 2 высечены продольные окна, ширина р перемычки между которыми составляет заданную долю от длины L резонаторов. На Фиг. 1 6 показаны только два окна, однако их количество может быть и иным, а ширина р перемычек между окнами, как и ширина крайних полосок в пластинке 2 может меняться от одной к другой, что поясняется далее. Отмеченные перемычки и крайние полоски в пластинке 2 и являются упомянутыми выше проставками, которые далее по тексту обозначаются ссылочной позицией (2), взятой в скобки, чтобы не смешивать их со ссылочной позицией 2 самой пластинки.Both of these problems are successfully solved by the introduction of metal spacers between the
Как показано на Фиг. 1в, поперек пластинок 2 предпочтительно может быть сделана надсечка, позволяющая отламывать непросеченные края пластинки 2 после сборки матрицы. Это облегчает сборку матрицы, но в принципе просечки шириной р могут изготавливаться и устанавливаться и иным образом, например, отдельными полосками указанной ширины р, тогда отламывания непросеченных краев пластинки 2 после сборки матрицы не потребуется.As shown in FIG. 1c, a notch can preferably be made across the
На Фиг. 2 условно показан процесс сборки матрицы по настоящему изобретению. Стопа линеек 1 с размещаемыми между ними пластинками 2 располагается между металлическими стенками 3, также отделенными от стопы линеек пластинками 2. Подложки 4 размещают на полученной стопе линеек 1 так, чтобы зеркала всех линеек 1 попали между металлизированными полосками 5 подложек 4, в результате чего и формируется двумерная матрица лазерных диодов. Стрелками Р на Фиг. 2 обозначены силы давления на подложки 4 и металлические стенки 3, которые могут прикладываться к сформированной матрице, для чего ее помещают в соответствующую оснастку, создающую заданное давление.FIG. 2 schematically shows the process of assembling the matrix according to the present invention. The stop of the
Необходимо отметить, что при формировании стопы линеек 1 все эти линейки 1 размещают так, чтобы их металлизированные широкие стороны с одноименным типом проводимости были ориентированы в одном направлении. Например, линейки 1 могут укладывать на одну из металлических стенок 3, перемежая их пластинками 2 с проставками и завершая укладкой другой металлической стенки 3. В этом случае линейки 1 в получающейся стопе между металлическими стенками 3 образуют последовательную цепь, в которой, скажем, сторона р-типа проводимости одной линейки 1 соединена через проставки (2) со стороной n-типа проводимости соседней линейки 1. При этом металлические стенки 3 выполняют функции токовводов в готовой матрице.It should be noted that when forming the foot of the
Для получения прочной конструкции сформированной матрицы в вышеуказанную металлизацию всех элементов могут включать наружный слой припоя. Тогда матрицу после сборки помещают в вакуумную печь для выполнения пайки. Для обеспечения более качественного контакта пайку могут выполнять в атмосфере водорода или инертного газа, которым заполняют вакуумную печь после откачки воздуха. При этом матрицу могут помещать в вакуумную печь в вышеупомянутой оснастке, создающей заданное давление.To obtain a strong structure of the formed matrix, an outer layer of solder may be included in the above metallization of all elements. The die, after assembly, is then placed in a vacuum oven to perform brazing. To ensure better contact, brazing can be performed in an atmosphere of hydrogen or inert gas, which is filled in a vacuum furnace after evacuation of air. In this case, the matrix can be placed in a vacuum oven in the aforementioned tooling that creates a predetermined pressure.
Скрепление линеек 1 и металлических стенок 3 с соответствующими металлизированными полосками 5 на подложках 4 может быть выполнено как пайкой, так и сваркой, как это описано в вышеупомянутом ближайшем аналоге (патент РФ №2712764).The fastening of the
На Фиг. 3-7 показаны в поперечных сечениях разные варианты собранной матрицы лазерных диодов согласно настоящему изобретению.FIG. 3-7 are cross-sectional views of various embodiments of an assembled laser diode array according to the present invention.
Варианты осуществления, показанные на Фиг. 3 и 4, раскрывают те случаи, когда вертикальный размер металлической стенки 3 по Фиг. 1д равен ширине L линейки 1 за вычетом двойной толщины металлизации подложки 4. В этом случае обе подложки 4 охватывают стопу линеек 1 и металлических стенок 3, причем линейки 1 входят в зазоры между металлизированными полосками 5 на подложках 4. На Фиг. 3 представлен вариант, в котором проставки (2) имеют разную ширину р и разнесены одна от другой на разные расстояния, а на Фиг. 4 ширина р всех проставок (2) одинакова и расстояние между всеми проставками тоже одинаковое.The embodiments shown in FIG. 3 and 4 disclose cases where the vertical dimension of the
На Фиг. 5 и 6 показаны варианты осуществления, в которых подложки 4 имеют ширину (вертикальный размер на Фиг. 1д), равную толщине стопы линеек 1 плюс две толщины проставки (2). В этом случае размеры металлических стенок 3 превышают размер L линеек 1, и обе стенки охватывают стопу линеек 1 с проставками (2). На Фиг. 5 проставки (2) имеют разную ширину р и разнесены одна от другой на разные расстояния (как на Фиг. 3), а на Фиг. 6 показан такой же вариант, но в котором крайние проставки (2) касаются металлизированных полосок 5 на подложках 4.FIG. 5 and 6 show embodiments in which
На Фиг. 7 представлен вариант осуществления, в котором проставки (2) такие же, как на Фиг. 4, но металлические стенки 3 имеют такие габариты, что в собранной матрице не выступают за подложки 4.FIG. 7 shows an embodiment in which the spacers (2) are the same as in FIG. 4, but the
Можно отметить, что грани проставок (2), обращенные внутрь промежутков между линейками 1, могут обрабатываться для повышения степени турбулентности потока теплоносителя (для повышения числа Пекле, за счет чего увеличивается эффективность охлаждения), в частности, чтобы иметь заданную расчетом шероховатость в виде впадин и выступов определенной высоты. Разделение промежутков между соседними линейками 1 и между металлическими стенками 3 и крайними в стопе линейками 1 с помощью нескольких проставок (2) также преследует цель повышения турбулентности потока теплоносителя, что реализуется за счет сужения сечения каналов, в которых протекает теплоноситель.It can be noted that the edges of the spacers (2), facing the inside of the spaces between the
Количество проставок (2) в каждом канале, их ширина р и расстояния одной от другой оптимизируются для каждой длины L оптического резонатора в линейках 1 из соображений эффективности охлаждения, механической прочности и устойчивости к колебаниям давления турбулентных потоков теплоносителя в каналах охлаждения, окружающих линейки 1. Кроме того, проставки (2) снижают последовательное сопротивление всей стопы линеек 1 и повышают равномерность распределения тока накачки по их металлизированным поверхностям.The number of spacers (2) in each channel, their width p and distances from one another are optimized for each length L of the optical resonator in
Одновременно проставки (2) выполняют функции снижения термоупругих напряжений в линейках 1 за счет повышения однородности распределения механических нагрузок, в том числе вызванных колебаниями давления теплоносителя в каналах охлаждения. Проставки (2) также повышают механическую прочность и надежность конструкции двумерной матрицы лазерных диодов в целом, причем актуальность снижения величины механических напряжений в кристаллах лазерных диодов и повышения прочности конструкции возрастает по мере увеличения длины L резонатора.At the same time, spacers (2) perform the functions of reducing thermoelastic stresses in
Наконец, проставки (2) позволяют значительно упростить и удешевить процесс сборки матрицы и выполнять его с помощью роботизированной установки в автоматическом режиме.Finally, the spacers (2) make it possible to significantly simplify and reduce the cost of the matrix assembly process and to carry it out using a robotic installation in an automatic mode.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109490A RU2757055C1 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109490A RU2757055C1 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2757055C1 true RU2757055C1 (en) | 2021-10-11 |
Family
ID=78286296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021109490A RU2757055C1 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2757055C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU80072U1 (en) * | 2008-07-22 | 2009-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | MATRIX OF LASER DIODES |
| WO2010015352A2 (en) * | 2008-08-05 | 2010-02-11 | Jenoptik Laserdiode Gmbh | Heat dissipation module having a semiconductor element and production method for such a heat dissipation module |
| RU2396654C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" | Laser diode matrix and its manufacturing method |
| US20120309121A1 (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method of making semiconductor optical integrated device |
| CN104485576A (en) * | 2014-12-12 | 2015-04-01 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | Multi-core-group high-power plastic package pulse semiconductor laser diode |
| RU2712764C1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes |
-
2021
- 2021-04-06 RU RU2021109490A patent/RU2757055C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU80072U1 (en) * | 2008-07-22 | 2009-01-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | MATRIX OF LASER DIODES |
| WO2010015352A2 (en) * | 2008-08-05 | 2010-02-11 | Jenoptik Laserdiode Gmbh | Heat dissipation module having a semiconductor element and production method for such a heat dissipation module |
| RU2396654C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" | Laser diode matrix and its manufacturing method |
| US20120309121A1 (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method of making semiconductor optical integrated device |
| CN104485576A (en) * | 2014-12-12 | 2015-04-01 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | Multi-core-group high-power plastic package pulse semiconductor laser diode |
| RU2712764C1 (en) * | 2019-06-11 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1253685B1 (en) | Cooling device, semiconductor laser light source device, and semiconductor laser light source unit | |
| JP3386963B2 (en) | Manufacturing method of laser diode device | |
| KR100993499B1 (en) | Semiconductor module | |
| JP4929612B2 (en) | Semiconductor laser device and heat sink | |
| US5903583A (en) | Diode laser component with cooling element and diode laser module | |
| US6310900B1 (en) | Laser diode package with heat sink | |
| RU2154325C2 (en) | Thermoelectric module manufacturing process | |
| JP3787705B2 (en) | Semiconductor laser diode device and manufacturing method thereof | |
| JP5928485B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
| KR102055587B1 (en) | Heat-Sink Substrate For High-Power Semiconductor, High-Power Semiconductor Module Comprising The Same, And Manufacturing Process Thereof | |
| US7724791B2 (en) | Method of manufacturing laser diode packages and arrays | |
| EP3159981A1 (en) | Thermally conductive, current carrying, electrically isolated submount for laser diode arrays | |
| CN110809841A (en) | Semiconductor laser device | |
| KR100606320B1 (en) | Cooling apparatus for semiconductor component and semiconductor laser apparatus | |
| JP6580244B2 (en) | Semiconductor laser light source device | |
| JP2007053349A (en) | Insulating substrate and manufacturing method thereof as well as power module and substrate thereof | |
| EP0973237A1 (en) | Semiconductor laser device | |
| JP2017028044A (en) | Semiconductor laser device and method for manufacturing semiconductor laser device | |
| JP3956405B2 (en) | Thermoelectric module manufacturing method | |
| RU2757055C1 (en) | Two-dimensional array of laser diodes and method for its assembly | |
| RU2712764C1 (en) | Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes | |
| CN220492415U (en) | Laser module and laser | |
| JP2004153075A (en) | Substrate for power module and power module | |
| JP2005064131A (en) | Semiconductor device | |
| JP2005005511A (en) | Semiconductor laser apparatus |