專利名稱：一種新型低成本單巴條液體制冷激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光器制造領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光器，尤其是一種新型低成
本單巴條液體制冷激光器。
背景技術(shù)：
隨著大功率半導(dǎo)體激光器的進(jìn)一步發(fā)展，所面臨的主要問題仍然是轉(zhuǎn)換效率低、 可靠性、性能穩(wěn)定性差以及成本較高等問題，這些不足嚴(yán)重制約了它的應(yīng)用空間。激光器的 性能除了與芯片有關(guān)外，還跟激光器的散熱和封裝有關(guān)。為了提高激光器的可靠性和性能 穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，設(shè)計高可靠性封裝結(jié)構(gòu)和高效散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器是必須的。 目前，大功率單陣列半導(dǎo)體激光器有熱傳導(dǎo)冷卻型(Michael Leers， Konstantin Boucke， Manfred Gotz， et al. ， Thermal resistance in d印endenceof diode laser packages, In :Mark S. Zediker eds. Proceedings of 56 SPIE， 2008. 6876 (687609))禾口微 通道液體制冷型(Rushikesh M. Patel，David K. Wagner， Allen D. Da騰r，Kam Fallahpour， Richard S.Stinnett,"Use ofmicro-channel cooling for high-power two-dimensional laser diode arrays", SPIE， vol. 634 :466-474(1992))兩種封裝形式。 對于熱傳導(dǎo)冷卻型，在連續(xù)波模式下工作的大塊熱沉而言，由于采用被動散熱方 式，容易產(chǎn)生激光器溫度上升，這將導(dǎo)致激光器的波長漂移，壽命和可靠性下降，因此，其輸 出功率一般只有幾十瓦，由于是被動散熱方式，因此使得半導(dǎo)體激光器的功率從數(shù)十瓦擴(kuò) 展到上百瓦就十分困難。 微通道液體制冷型現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，雖然其采用主動散熱，散熱能力增強(qiáng)，使 激光器的功率得到很大的提高，但還是存在以下缺點(diǎn) 1.使用和維護(hù)成本高。微通道液體制冷器需要使用去離子水作為冷卻液，以防止 正負(fù)極導(dǎo)通。并且在使用時必須保持去離子水的低電導(dǎo)率，因此使用和維護(hù)成本很高。 2.加工難度大。微通道液體制冷器通常是由幾層很薄的銅片層疊加工成型，內(nèi)部 的微通道大約為300微米，在制造過程中，需要對每一層銅片進(jìn)行精確的加工，以使層疊后 的微通道在液體流過時形成散熱能力強(qiáng)的湍流。因此，微通道制冷器的精確加工是一個難 點(diǎn)。 3.制造成本高。由于微通道制冷器的精密加工難度相當(dāng)大，其制造成本也是非常 高的。 4.使用壽命短。在激光器工作的過程中，若冷卻介質(zhì)(通常為去離子水)中存在 雜質(zhì)時，這些雜質(zhì)很容易附著在微通道內(nèi)壁上。 一方面，這些雜質(zhì)顆?？赡軙⑽⑼ǖ乐评?器的液體通道堵塞，使其制冷效果降低，從而產(chǎn)生比較嚴(yán)重的熱集中，導(dǎo)致激光器輸出波長 發(fā)生漂移、光譜展寬、性能可靠性和壽命縮短，嚴(yán)重時甚至?xí)⒓す馄鳠龤?。另一方面，這些 雜質(zhì)顆粒會引起微通道管壁的電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時可能將微通道制冷器的管壁蝕穿，對激 光器的安全性造成極大地影響。這些都嚴(yán)重影響到激光器的使用壽命。 5.密封要求高。由于微通道制冷器中冷卻介質(zhì)的流動空間非常狹小，因此容易產(chǎn)生多余的壓力降，冷卻介質(zhì)流阻很大，密封困難。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種新型低成本單巴條液 體制冷激光器，這種半導(dǎo)體激光器在滿足使用功率要求的條件下，可降低成本，減小熱阻， 同時克服冷卻介質(zhì)壓降過大的難點(diǎn)，在滿足光束質(zhì)量的前提下保證激光的高輸出功率。 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的 這種新型低成本單巴條液體制冷激光器，包括上液體制冷塊、負(fù)極連接片、絕緣 片、正極連接片、連接片固定片、密封圈和下液體制冷塊，還包括有微正極塊；所述下液體制 冷塊、微正極塊、絕緣片、負(fù)極連接片和上液體制冷塊依次自下而上層疊連接在一起；所述 下液體制冷塊的上端面一側(cè)設(shè)有臺階，臺階上設(shè)有正極連接片和連接片固定片；所述下液 體制冷塊、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的入液通孔和出液 通孔，所述正極連接片和連接片固定片上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的出液通孔，所述上液 體制冷塊的下端面上垂直設(shè)有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通過設(shè)置在上液體制冷塊 內(nèi)的連接孔連通，所述下液體制冷塊、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片上的各入液通孔和上 液體制冷塊的入液孔依次層疊后組成入液通道，所述下液體制冷塊、正極連接片、連接片固 定片、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片上的各出液通孔和上液體制冷塊的出液孔依次層疊 后組成出液通道；所述微正極塊的一端設(shè)有芯片，所述芯片的正極面與微正極塊貼合，芯片 的負(fù)極面與負(fù)極連接片貼合。 上述微正極塊為金屬塊，所述微正極塊的入液通孔內(nèi)設(shè)有散熱翅片。 上述芯片與微正極塊之間還設(shè)有熱沉，熱沉一面與微正極塊貼合，另一面與芯片
的正極面貼合。 上述下液體制冷塊、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片的中部設(shè)有垂直于平面的固 定通孔，所述上液體制冷塊的下端面中部設(shè)有螺紋孔，所述下液體制冷塊上設(shè)有螺栓，所 述螺栓分別穿過下液體制冷塊、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片上的固定通孔，旋于螺紋孔 中。 上述下液體制冷塊的入液通孔上端設(shè)有密封圈。 本實(shí)用新型具有以下有益效果 1)制造簡單，生產(chǎn)成本低。本實(shí)用新型采用在冷卻介質(zhì)的流通路徑上增加翅片的
方式替代現(xiàn)有技術(shù)中的微通道，有效降低了加工難度，從而大大降低了制造成本。 2)可實(shí)現(xiàn)激光大功率輸出。本實(shí)用新型的液體制冷能力完全滿足低占空比準(zhǔn)連續(xù)
波的工作要求，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的激光輸出。 3)冷卻介質(zhì)流阻小、壓降低，容易密封。本實(shí)用新型用散熱翅片取代了現(xiàn)有技術(shù)中
的微通道，增大了冷卻介質(zhì)的流通空間，從而起到降低流阻，減小壓降的作用。 4)冷卻介質(zhì)進(jìn)出口位置可選。本實(shí)用新型制備的大功率半導(dǎo)體激光器的冷卻介質(zhì)
的進(jìn)出口可選，可在設(shè)計在同一端面，也可在正負(fù)極塊兩端。 5)散熱能力強(qiáng)。本實(shí)用新型在冷卻介質(zhì)流通路徑上設(shè)置的散熱翅片能夠大大增加 散熱面積，達(dá)到減小器件熱阻，提高散熱能力的目的。 6)壽命長、可靠性高。按照本實(shí)用新型所提供的大功率半導(dǎo)體激光器具有壽命長、可靠性高、穩(wěn)定性高和體型小的特點(diǎn)。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)拆解圖； 圖2為本實(shí)用新型的裝配外形圖； 圖3為本實(shí)用新型的微正極塊4的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本實(shí)用新型的上液體制冷塊1的剖面圖； 圖5為本實(shí)用新型的下液體制冷塊7的剖面圖； 圖6為本實(shí)用新型的網(wǎng)格狀翅片的微正極塊4 ; 圖7為本實(shí)用新型制備的808nm半導(dǎo)體激光器樣品的P-I曲線圖。
其中1為上液體制冷塊；2為負(fù)極連接片；3為絕緣片；4為微正極塊；5為連接片
固定片；6為正極連接片；7為下液體制冷塊；8為堵頭；9、26U7和18均為入液通孔；10、 14、27和19為固定通孔；11、12、13、22、21和20均為出液通孔;15為散熱翅片;16為芯片; 23、24、25為正極連接片固定孔；28為密封圈；29為螺栓頭沉孔；30為進(jìn)液通道過渡段；31 為臺階；32為連接孔；33為入液孔；34為螺紋孔；35為出液孔；36為負(fù)極接線孔；37為入液□。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述 參見圖1、圖2、圖4和圖5，本實(shí)用新型的新型低成本單巴條液體制冷激光器，包括 上液體制冷塊l(負(fù)極塊)、負(fù)極連接片2、絕緣片3、正極連接片6、連接片固定片5、微正極 塊4和下液體制冷塊7。下液體制冷塊7、微正極塊4、絕緣片3、負(fù)極連接片2和上液體制 冷塊1依次自下而上層疊連接在一起。下液體制冷塊7的上端面一側(cè)設(shè)有臺階31，臺階31 上設(shè)有正極連接片6和連接片固定片5 ;下液體制冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負(fù)極連接 片2上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的入液通孔9、26、17、18和出液通孔11、22、21、20。正極連 接片6和正極固定片5上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的出液通孔12、 13 ;上液體制冷塊1的下 端面上垂直設(shè)有入液孔33和出液孔35，入液孔33和出液孔35通過設(shè)置在上液體制冷塊1 內(nèi)的連接孔32連通，連接孔32的出口端設(shè)有堵頭8。各部件上的入液通孔9、26、17、18以 及入液孔33依次層疊后組成入液通道，各部件上的出液通孔11、12、13、22、21、20以及出液 孔35依次層疊后組成出液通道。在下液體制冷塊7的入液通孔9上開口處設(shè)有密封圈28， 保證入液通道的密封良好。為了達(dá)到良好的密封效果，也可以分別在各入液通孔9、26、17、 18和各出液通孔11 、22、21 、20之間設(shè)置橡密封28，達(dá)到整個入液通道和出液通道的良好密 封效果。下液體制冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負(fù)極連接片2的中部設(shè)有垂直于平面的 固定通孔10、14、27、19。上液體制冷塊1的下端面中部設(shè)有螺紋孔34，所述下液體制冷塊 7上設(shè)有螺栓，所述螺栓分別穿過下液體制冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負(fù)極連接片2上 的固定通孔10、14、27、19，旋于螺紋孔34中，這樣各部件被連接成一體，如圖2所示。 上述微正極塊4的一端設(shè)有芯片16，芯片16的正極面與微正極塊4貼合，芯片16 的負(fù)極面與負(fù)極連接片2貼合。本實(shí)用新型的芯片16的正極面可以直接焊接在微正極塊 4的一端，也可以在微正極塊4的上表面與芯片16的正極面之間加一熱沉，熱沉的上表面與芯片16的正極面貼合，芯片16的負(fù)極面與連接片貼合。熱沉采用導(dǎo)熱性能好的材料制 作，這樣雖然會增加芯片16的散熱路徑，但也很大程度上消除了在微正極塊4上直接焊芯 片16導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。 微正極塊4的材料可以使用金屬(例如銅)或陶瓷(例如A1N)等散熱效果好的 材料。微正極塊4的入液通孔26內(nèi)設(shè)有散熱翅片15(如圖3)。圖中的散熱翅片15為金屬 片狀，其平行設(shè)置于入液孔26內(nèi)。本實(shí)用新型的散熱翅片15除了采用圖3中所示的形式 外，還可以采用任何一種可以減小熱阻，達(dá)到最大散熱效果的形狀結(jié)構(gòu)，如采用圓柱形散熱 片、網(wǎng)狀、星形發(fā)射狀等散熱結(jié)構(gòu)。圖6為采用網(wǎng)狀散熱翅片的微正極塊。 正極連接片6由連接片固定片5通過設(shè)于下液體制冷塊7側(cè)面的正極連接片固定 孔25、23、24和螺釘固定在下液體制冷塊7上。上液體制冷塊1的側(cè)面設(shè)有負(fù)極接線孔36， 負(fù)極接線孔36為螺紋孔，使用螺釘將負(fù)極引出。 本實(shí)用新型的新型低成本單巴條液體制冷激光器是這樣制備的 (1)如圖3在微正極塊4上制備出入液通孔26、出液通孔22和固定孔14，并在入
液孔26上加工出散熱翅片15，將芯片16焊接到微正極塊4的上表面(如圖1); (2)將微正極塊4、芯片16、絕緣片3及負(fù)極連接片2焊接起來； (3)如圖4和圖5，在銅塊上鉆孔作為上液體制冷塊1和下液體制冷塊7 ; (4)將密封圈28分別放在下液體制冷塊18的入液孔9和出液孔11上端口外圈，
微正極塊4上的入液孔26和出液孔22，上液體制冷塊1的入液半孔33和出液半孔35下端
口外圈； (5)用連接螺釘依次穿過下液體制冷塊7、微正極塊4、絕緣片3、連接片2、上液體 制冷塊1中部的固定通孔，螺釘最后旋在上液體制冷塊1上的螺紋孔34內(nèi)，將各部件緊密 連接起來，這樣就組成了本實(shí)用新型的基于液體制冷的大功率半導(dǎo)體激光器。 本實(shí)用新型的工作原理如下 工作時，在正極連接片6和負(fù)極接線孔36上加電壓。激光器芯片16正常工作，工 作時發(fā)出的熱量利用冷卻液的循環(huán)流動帶走。冷卻液由下液體制冷塊7的入液口 37進(jìn)入， 經(jīng)過進(jìn)液通道過渡段30到入液通孔9，再到微正極塊4的入液通孔26中。冷卻液在下液 體制冷塊7的入液通孔9內(nèi)形成湍流。冷卻液充滿入液孔9，直接從與芯片16貼合的微正 極塊4下端，帶走芯片16產(chǎn)生大部分的熱量；芯片16產(chǎn)生的剩余熱量會通過微正極塊4， 傳導(dǎo)到散熱翅片15上，冷卻液沖到微正極塊4散熱翅片15，將散熱翅片15上的熱量帶走， 之后依次經(jīng)過絕緣片3、連接片2到上液體制冷塊1的入液孔33，由連接孔32進(jìn)入出液孔 35，再依次經(jīng)過連接片3、絕緣片2和微正極塊4的出液通孔20、21、22，最后經(jīng)下液體制冷 塊7的出液通孔11排出，經(jīng)冷水機(jī)將熱量散去后又重新進(jìn)入液口 37，冷卻液在入液通道和 出液通道里完全密封，以防止因冷卻劑泄露而對半導(dǎo)體激光器造成損壞。 本實(shí)用新型的冷卻介質(zhì)進(jìn)出口位置除采用上述的結(jié)構(gòu)外，也可以采用上液體制冷 塊入液和出液的方式。還可以將冷卻介質(zhì)進(jìn)出口位置設(shè)計在上、下液體制冷塊兩端，這樣冷 卻液在激光器內(nèi)是單向流動的。具體冷卻液的循環(huán)形式要根據(jù)激光器的安裝方式以及外部 配件的設(shè)置而靈活確定。本實(shí)用新型的上液體制冷塊、負(fù)極塊可以采用一體的結(jié)構(gòu)，也可以 采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。 本實(shí)用新型的固定孔可以采用如圖l所示結(jié)構(gòu)，也可使用其他結(jié)構(gòu)，只要保證組裝后器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定即可。 根據(jù)本實(shí)用新型的激光器結(jié)構(gòu)，制作出了 808nm，250W單陣列液體制冷半導(dǎo)體激 光器，其結(jié)構(gòu)也如圖2所示。以下給出這種808nm單陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)測 試結(jié)果 (1)如圖7所示為808nm單陣列半導(dǎo)體激光器樣品的L-I-V曲線，其最高輸出光功 率為289. 45W。 (2)在脈沖(400Hz，200us)250A的工作條件下，808nm單陣列半導(dǎo)體激光器樣品的 測試結(jié)果如圖7所示。此時，激光器的閾值電流為21. 35A，斜坡效率為1. 31W/A，典型的電 光轉(zhuǎn)換效率為59. 07%。 (3)圖7所示為，使用本實(shí)用新型專利制作的半導(dǎo)體激光器樣品，波長808nm，功 率250W的光譜測試結(jié)果，其峰值波長為808. 53nm，中心波長為808. 53nm， FWHM為2. 73nm， FW90% E為3. 85nm。 本實(shí)用新型在滿足使用功率要求的條件下改變了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器采用的微通 道液體制冷形式，有效避免了加工微通道結(jié)構(gòu)帶來的加工難度和成本高的缺點(diǎn)，本實(shí)用新 型采用翅片的散熱形式不但減小了冷卻液的循環(huán)流阻避免了冷卻液壓降過大的缺點(diǎn)，而且 由于翅片加工難度低，所以極大地降低了生產(chǎn)成本，并且這種翅片散熱形式可以達(dá)到微通 道結(jié)構(gòu)散熱的同等散熱效果，配合本實(shí)用新型的上液體制冷塊和下液體制冷塊，本實(shí)用新 型可以達(dá)到較好的散熱效果。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于單陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器。
權(quán)利要求一種新型低成本單巴條液體制冷激光器，包括上液體制冷塊(1)、負(fù)極連接片(2)、絕緣片(3)、正極連接片(6)、連接片固定片(5)和下液體制冷塊(7)，其特征在于，還包括有微正極塊(4)；所述下液體制冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)、負(fù)極連接片(2)和上液體制冷塊(1)依次自下而上層疊連接在一起；所述下液體制冷塊(7)的上端面一側(cè)設(shè)有臺階(31)，臺階(31)上設(shè)有正極連接片(6)和連接片固定片(5)；所述下液體制冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負(fù)極連接片(2)上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的入液通孔(9、26、17、18)和出液通孔(11、22、21、20)，所述正極連接片(6)和連接片固定片(5)上分別對應(yīng)設(shè)有垂直于平面的出液通孔(12、13)，所述上液體制冷塊(1)的下端面上垂直設(shè)有入液孔(33)和出液孔(35)，入液孔(33)和出液孔(35)通過設(shè)置在上液體制冷塊(1)內(nèi)的連接孔(32)連通，所述下液體制冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負(fù)極連接片(2)上的各入液通孔(9、26、17、18)和上液體制冷塊(1)的入液孔(33)依次層疊后組成入液通道，所述下液體制冷塊(7)、正極連接片(6)、連接片固定片(5)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負(fù)極連接片(2)上的各出液通孔(11、12、13、22、21、20)和上液體制冷塊(1)的出液孔(35)依次層疊后組成出液通道；所述微正極塊(4)的一端設(shè)有芯片(16)，芯片(16)的正極面與微正極塊(4)貼合，芯片(16)的負(fù)極面與負(fù)極連接片(2)貼合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本單巴條液體制冷激光器，其特征在于所述微正 極塊(4)為金屬塊，所述微正極塊(4)的入液通孔(26)內(nèi)設(shè)有散熱翅片(15)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本單巴條液體制冷激光器，其特征在于所述芯片 (16)與微正極塊(4)之間還設(shè)有熱沉，熱沉一面與微正極塊(4)貼合，另一面與芯片(16) 的正極面貼合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本單巴條液體制冷激光器，其特征在于所述下液 體制冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負(fù)極連接片(2)的中部設(shè)有垂直于平面的固定 通孔(10、14、27、19)，所述上液體制冷塊(1)的下端面中部設(shè)有螺紋孔(34)，所述下液體制 冷塊(7)上設(shè)有螺栓，所述螺栓分別穿過下液體制冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負(fù) 極連接片(2)上的固定通孔(10、14、27、19)，旋于螺紋孔(34)中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本單巴條液體制冷激光器，其特征在于所述下液 體制冷塊(7)的入液通孔(9)上端設(shè)有密封圈(28)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型低成本單巴條液體制冷激光器，這種激光器包括上液體制冷塊、連接片、絕緣片、正極連接片、連接片固定片和下液體制冷塊，還包括有微正極塊，所述下液體制冷塊、微正極塊、絕緣片、負(fù)極連接片和上液體制冷塊依次自下而上層疊連接在一起，下液體制冷塊、微正極塊、絕緣片和負(fù)極連接片上分別對應(yīng)設(shè)有入液通孔和出液通孔，上液體制冷塊設(shè)有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通過連接孔連通，入液通孔依次層疊后組成入液通道，出液通孔依次層疊后組成出液通道。本實(shí)用新型不但制造簡單，生產(chǎn)成本低，而且冷卻介質(zhì)流阻小、壓降低，容易密封、散熱能力強(qiáng)、壽命長、可靠性高，完全可滿足激光的大功率輸出散熱要求。
文檔編號H01S5/00GK201450224SQ200920034398
公開日2010年5月5日 申請日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司