专利名称：大功率半导体激光器膨胀制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器冷却系统，特别涉及一种用于大功率半导体激光器冷却系统。
背景技术：
半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，在科学技术和国民经济的各个领域得到了广泛的应用。自从超晶格量子阱激光材料发明以来，随着实际工程发展的需要，半导体激光器的输出功率也越来越高，发热功率密度也较大(达到 4-6W/mm2)，这就对冷却技术和器件提出了很高的要求。现有技术中，对于连续或准连续输出的大功率半导体激光器列阵冷却效果较好的技术是美国加州大学利福莫尔国家实验室于1992年发明，并于1996年实用化的微通道冷却封装组件(Modular MicroChannel Cooled Heatsinks)，运用它不仅具有很好的冷却效果，而且能够实现将多个二极管激光器列阵迭层组装为面阵以获得更大功率的半导体激光输出，于是，微通道冷却封装组件也成为了发展大功率的半导体激光技术必不可少的关键部件。虽然经过多年的应用实践，微通道冷却封装组件也有了不少的改进，但基本结构和冷却方式并无大的改变。现有技术中，还出现了一种高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件，应用于大功率半导体激光器具有较好的冷却效果。上述技术方案中，对器件的制作精度要求较高，工艺环节多，且较为复杂，成品率低，提高了制造成本，使得微通道冷却封装组件的推广使用受到了极大的限制；该器件对所需的制冷系统和冷却水循环系统也有特殊的要求，必须采用高压(约0. 5Mpa)纯净水冷却， 所用的冷却水还必须预先制冷，需要一个体积较大的高压水冷系统，与半导体激光器体积小的优点不相适应，影响了使用的方便性。因此，需要对大功率半导体激光器的制冷系统进行改进，具有较大的制冷功率，应用于大功率半导体激光器列阵具有较好的冷却效果，改变现有技术中制作精度高、工艺复杂和体积大、压力高的缺点，节约能源，且结构简单，操作方便，使用成本低，从而降低半导体激光器冷却系统的成本，提高半导体激光器的使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的提供一种大功率半导体激光器膨胀制冷系统，具有较大的制冷功率，应用于大功率半导体激光器列阵具有较好的冷却效果，改变现有技术中制作精度高、工艺复杂和体积大、压力高的缺点，节约能源，且结构简单，操作方便，使用成本低， 从而降低半导体激光器冷却系统的成本，提高半导体激光器的使用寿命。本发明的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，包括按制冷介质流程依次连通的制冷压缩机、冷凝器和激光器制冷封装组件；所述激光器制冷封装组件设有膨胀腔，所述制冷介质在激光器制冷封装组件的膨胀腔内膨胀蒸发气化后回至制冷压缩机进口 ；半导体激光器阵列与膨胀腔外壁导热连接。进一步，所述激光器制冷封装组件包括至少一片基片紧密叠合形成的基片组和分别位于基片两侧与基片组紧密叠合的夹持片I和夹持片II，所述基片表面刻蚀膨胀槽和与膨胀槽相通的毛细槽，所述膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的相邻基片或者夹持片I封闭分别形成膨胀腔和与膨胀腔相通的毛细通道，所述毛细通道与冷凝器出口连通，膨胀腔连通于压缩机入口；进一步，所述基片设有用于安装半导体激光器阵列的沉台，所述膨胀槽位于沉台背侧，并包容于沉台； 进一步，所述膨胀腔设有膨胀腔介质出口，毛细通道设有毛细通道介质进口，毛细通道介质进口和膨胀腔介质出口均为设于基片上的贯穿孔。进一步，所述膨胀腔的尺寸大于或等于半导体激光器阵列的尺寸，所述膨胀腔介质出口和膨胀腔用于与毛细通道连通的介质进口分别位于膨胀腔沿半导体激光器阵列的两端；进一步，所述夹持片I设有连通于毛细通道介质进口的进口流道，夹持片II设有与膨胀腔介质出口连通的出口流道；进一步，所述基片组中的基片为一个，基片的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I封闭分别形成膨胀腔和与膨胀腔相通的毛细通道。进一步，基片组中的基片为多个，位于首端的基片的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I封闭，其余基片的膨胀槽和毛细槽通过位于其前侧的相邻基片紧密贴合封闭，相邻基片叠合后其毛细通道介质进口相互连通形成介质进口通道，相邻基片叠合后其膨胀腔介质出口相互连通形成介质出口通道。本发明的有益效果本发明的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，采用膨胀制冷技术，同时，将膨胀制冷的毛细管和蒸发器组件设置于激光器制冷封装组件内，减小了制冷系统的体积，利于充分发挥半导体激光器的优势，并具有较大的制冷功率，应用于大功率半导体激光器列阵具有较好的冷却效果，改变现有技术中制作精度高、工艺复杂和体积大、压力高的缺点，节约能源；并且不需单独的冷却水预冷系统，结构简单，操作方便，使用成本低，从而降低半导体激光器冷却系统的成本，提高半导体激光器的使用寿命。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。图1为本发明冷却系统原理示意图；图2为激光器制冷封装组件结构示意图；图3为基片平面图；图4为多片基片组成的激光器制冷封装组件结构示意图。
具体实施例方式图1为本发明冷却系统原理示意图，图2为激光器制冷封装组件结构示意图，图3 为基片平面图，如图所示本实施例的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，包括按制冷介质流程依次连通的制冷压缩机1、冷凝器2和激光器制冷封装组件5 ；所述激光器制冷封装组件设有膨胀腔，所述制冷介质在激光器制冷封装组件的膨胀腔内膨胀蒸发气化后回至制冷压缩机1进口 ；半导体激光器阵列6与膨胀腔外壁导热连接；如图所示，制冷压缩机1通过管道4经过冷凝器(风冷)、调节阀3输送制冷介质进入激光器制冷封装组件5，所述制冷介质在激光器制冷封装组件的膨胀腔内膨胀蒸发气化后通过管道7回至制冷压缩机1进口。本实施例中，所述激光器制冷封装组件包括至少一片基53紧密叠合形成的基片组和分别位于基片两侧与基片53组紧密叠合的夹持片I 51和夹持片5211，基片两侧是指两平面相对，形成片与片的叠加贴合；所述基片53表面刻蚀膨胀槽和与膨胀槽相通的毛细槽，所述膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的相邻基片或者夹持片I 51封闭分别形成膨胀腔 53a和与膨胀腔53a相通的毛细通道53b，所述毛细通道5 与冷凝器2出口连通，膨胀腔 53a连通于压缩机1入口 ；在基片上刻蚀出毛细槽和膨胀槽，并利用紧密叠合形成封闭的毛细通道和膨胀腔，制作容易，结构简单，并且不需要较高的精度，达到密封即可实现发明目的。本实施例中，所述基片53设有用于安装半导体激光器阵列的沉台53d，所述膨胀槽53a位于沉台53d背侧，并包容于沉台53d，即膨胀腔53a对沉台53d整体覆盖，具有针对性的进行冷却，使激光器阵列达到充分并均勻冷却的效果，且方便调节制冷温度，避免浪费冷量，节约能源，。本实施例中，所述膨胀腔53a设有膨胀腔介质出口 53e，毛细通道5 设有毛细通道介质进口 53c，如图所示，毛细通道介质进口 53c和膨胀腔介质出口 5 均为设于基片53 上的贯穿孔，该结构利于多片基片叠合的结构，具有较简单实用、具有较强的通用性和利于标准化生产的特点。本实施例中，所述膨胀腔53a的尺寸大于或等于半导体激光器阵列6的尺寸，本实施例中为略大于；所述膨胀腔53a介质出口 5 和膨胀腔用于与毛细通道连通的介质进口分别位于膨胀腔沿半导体激光器阵列的两端；使蒸发后的介质贯穿于冷却空间，利于充分发挥介质的冷却效果，并不存在死角，从而使激光器阵列充分均勻冷却。本实施例中，所述夹持片I 51设有连通于毛细通道介质进口 53c的进口流道51a， 夹持片1152设有与膨胀腔介质出口 5 连通的出口流道52a ；结构简单，制作容易，利于拆卸和安装。本实施例中，所述基片组中的基片53为一个，基片53的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I 51封闭分别形成膨胀腔53a和与膨胀腔53a相通的毛细通道53b ；适用于只有一个激光器阵列的情况。图4为多片基片组成的激光器制冷封装组件结构示意图，如图所示，本实施例中， 基片组中的基片53为多个(图中为14个，每个基片的视图是图3沿A-A向剖视图)，位于首端的基片的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I 51封闭形成与其对应的膨胀腔和毛细通道，其余基片(除首端基片以外的基片，首端为介质进入的一端)的膨胀槽和毛细槽通过位于其前侧的相邻基片紧密贴合封闭，形成各自的膨胀腔和毛细通道；如图所示，基片 53通过位于其前侧的基片紧密叠合后其膨胀槽和毛细槽形成膨胀腔53a和毛细通道53b)； 相邻基片叠合后其膨胀腔介质出口相互连通形成介质出口通道M，相邻基片叠合后其毛细通道介质进口相互连通形成介质进口通道55，介质进口通道55连通于进口流道51a，介质出口通道M连通于出口流道52a，使得毛细通道之间形成并联，膨胀腔之间形成并联，具有
5均勻的冷却效果；该结构利于多片基片叠合的结构，具有较简单实用、具有较强的通用性和利于标准化生产的特点本结构适用于激光器矩阵的结构，解决了现有技术中对于大功率激光器进行冷却的技术难点。本发明采用现有的膨胀制冷原理，并对激光器制冷封装组件进行改进，将膨胀制冷毛细通道以及膨胀腔(蒸发器)设置其内，各个基片之间和基片与夹持片之间采用叠合并压紧，保证密封效果，并视情况可以使用粘接材料；该膨胀制冷系统可采用自动控制原理进行冷却温度的自动控制和自动调节，保证激光器的工作温度处于正常状态，延长其使用
寿命ο最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于包括按制冷介质流程依次连通的制冷压缩机、冷凝器和激光器制冷封装组件；所述激光器制冷封装组件设有膨胀腔，所述制冷介质在激光器制冷封装组件的膨胀腔内膨胀蒸发气化后回至制冷压缩机进口 ；半导体激光器阵列与膨胀腔外壁导热连接。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述激光器制冷封装组件包括至少一片基片紧密叠合形成的基片组和分别位于基片两侧与基片组紧密叠合的夹持片I和夹持片II，所述基片表面刻蚀膨胀槽和与膨胀槽相通的毛细槽，所述膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的相邻基片或者夹持片I封闭分别形成膨胀腔和与膨胀腔相通的毛细通道，所述毛细通道与冷凝器出口连通，膨胀腔连通于压缩机入口。
3.根据权利要求2所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述基片设有用于安装半导体激光器阵列的沉台，所述膨胀槽位于沉台背侧，并包容于沉台。
4.根据权利要求3所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述膨胀腔设有膨胀腔介质出口，毛细通道设有毛细通道介质进口，毛细通道介质进口和膨胀腔介质出口均为设于基片上的贯穿孔。
5.根据权利要求4所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述膨胀腔的尺寸大于或等于半导体激光器阵列的尺寸，所述膨胀腔介质出口和膨胀腔用于与毛细通道连通的介质进口分别位于膨胀腔沿半导体激光器阵列的两端。
6.根据权利要求5所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述夹持片I设有连通于毛细通道介质进口的进口流道，夹持片II设有与膨胀腔介质出口连通的出口流道。
7.根据权利要求6所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于所述基片组中的基片为一个，基片的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I封闭分别形成膨胀腔和与膨胀腔相通的毛细通道。
8.根据权利要求6所述的大功率半导体激光器膨胀制冷系统，其特征在于基片组中的基片为多个，位于首端的基片的膨胀槽和毛细槽通过紧密叠合的夹持片I封闭，其余基片的膨胀槽和毛细槽通过位于其前侧的相邻基片紧密贴合封闭，相邻基片叠合后其毛细通道介质进口相互连通形成介质进口通道，相邻基片叠合后其膨胀腔介质出口相互连通形成介质出口通道。
全文摘要
本发明公开了一种大功率半导体激光器膨胀制冷系统，包括按制冷介质流程依次连通的制冷压缩机、冷凝器和激光器制冷封装组件；激光器制冷封装组件设有膨胀腔，制冷介质在激光器制冷封装组件的膨胀腔内膨胀蒸发气化后回至制冷压缩机进口；半导体激光器阵列与膨胀腔外壁导热连接，本发明将膨胀制冷的毛细管和蒸发器组件设置于激光器制冷封装组件内，具有较大的制冷功率，应用于大功率半导体激光器列阵具有较好的冷却效果，改变现有技术中制作精度高、工艺复杂和体积大、压力高的缺点，节约能源；不需单独的冷却水预冷系统，结构简单，操作方便，使用成本低，从而降低半导体激光器冷却系统的成本，提高半导体激光器的使用寿命。
文档编号H01S5/024GK102354906SQ20111027819
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者张鹏, 梁一平, 范嗣强 申请人:重庆师范大学