一种相变冷却半导体激光装置的制作方法

[0001]
本发明涉及一种相变冷却半导体激光装置，属于激光器技术领域。


背景技术：

[0002]
半导体激光具有高效率、结构紧凑、小型化的优点，不仅可以作为光纤激光、固体激光的泵浦源，而且在半导体激光直接应用如激光打印、激光引信、激光测距等方面有重要价值和巨大潜力。尾纤输出半导体激光泵浦源模块的电光效率一般在60％左右，剩余的40％为废热，有效排出废热，使激光器工作在正常温度范围内是一项重要研究课题。传统的半导体激光模块一般采用水冷、tec控温等方式实现散热，该项技术需要将激光模块和热控装置分离，从而实现循环水冷。这种方式虽然能够有效散热，但是存在整体体积大、热管理效率低的缺点。


技术实现要素：

[0003]
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种相变冷却半导体激光装置，本发明能够实现半导体激光产生的热量高效排散，保证激光器的正常工作温度。
[0004]
本发明采用的技术方案如下：
[0005]
一种相变冷却半导体激光装置，采用一体化设计，包括具有腔体的壳体，所述壳体内部设置导热材料制成的分隔板，将腔体由上到下分隔成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体内设置半导体激光模块，所述第二腔体内填充相变冷却材料；所述第二腔体底部设置排热底板，所述排热底板连接热管。
[0006]
在本发明中，第一腔体中设置半导体激光模块，实现半导体激光输出，在半导体激光输出过程中会有大量的废热产生，产生的废热通过轻质高强度铝合金分隔板传递给泡沫石墨相变冷却材料，泡沫石墨在激光出光期间吸收储存废热并将废热通过排热底板、热管排出，在激光出光间歇期泡沫石墨会迅速的将储存的废热通过排热底板、热管排出，泡沫石墨状态恢复，使激光器保持在正常的工作温度范围内。
[0007]
本发明采用一体化设计，将相变冷却与激光一体设计，减少了传热链路，大幅地降低了传热热阻，实现激光工作时相变冷却材料吸收废热，激光器间歇期放热内功率恢复的模式，从而达到高储能比、轻量化、小型化的目的，使半导体模块更加紧凑、体积小、重量更轻，储能比更高，功耗更低，提高了热管理的精密控温水平。
[0008]
作为优选，所述壳体、分隔板和排热底板的材质均为铝合金。
[0009]
在上述方案中，壳体、分隔板和排热底板为一体化结构，采用轻质高强度铝合金作为壳体、分隔板和排热底板的材质，使得半导体激光芯片的温度分布均匀，保证激光正常出光；同时铝合金分隔板可以将半导体激光模块的废热高效率传导至相变冷却材料，而铝合金排热底板可以快速将相变冷却材料储存的废热通过热管排走。
[0010]
作为优选，所述分隔板的厚度均匀。
[0011]
在上述方案中，分隔板均匀保证半导体激光模块的废热能够均匀的传递给第二腔
体内的相变冷却材料。
[0012]
作为优选，所述相变冷却材料承载的热负荷＞90w。
[0013]
在上述方案中，相变冷却材料所能承载的热负荷越大，表示相变冷却材料所能吸收储存的废热越多，储能比更高。
[0014]
作为优选，所述相变冷却材料为泡沫石墨。
[0015]
在上述方案中，泡沫石墨具有导热系数高、材料的容积导热系数高、密度低的特点，是一种高储能的相变冷却材料。同时泡沫石墨为多孔碳材料，具有孔隙率高的特点，可以作为其他相变冷却材料的填充物，强化相变储能的效果，从而进一步的，相变冷却材料可以选择泡沫石墨/石墨复合相变材料，或泡沫石墨/共晶盐复合相变材料，从而提高相变冷却材料的导热系数和储能效率。
[0016]
作为优选，所述相变冷却材料充满第二腔体。
[0017]
作为优选，所述相变冷却材料通过真空加注的方式充满第二腔体。
[0018]
在上述方案中，充满第二腔体能够保证废热从半导体激光模块有效传递给相变冷却材料，然后传递到排热底板。
[0019]
作为优选，所述半导体激光模块由上到下包括半导体激光芯片、高导热陶瓷和热沉。
[0020]
在上述方案中，半导体激光芯片焊接在氮化铝高导热陶瓷上，氮化铝高导热陶瓷设置于铜热沉上，铜热沉再焊接到分隔板上。其中氮化铝高导热陶瓷起绝缘和导热的作用，热沉能够将废热快速通过分隔板传递给相变冷却材料。
[0021]
作为优选，还包括辐射器，所述辐射器与热管连接。
[0022]
在上述方案中，排热底板通过热管将废热传递到辐射器中，辐射器能够对废热进行利用，从而实现废热利用。
[0023]
作为优选，所述半导体激光模块中半导体激光芯片采用多台阶设置，对多个半导体激光芯片发出的光斑进行空间拼接、偏振合束，实现大功率半导体激光尾纤输出。
[0024]
作为优选，所述半导体激光芯片为单管cos芯片。
[0025]
在上述方案中，半导体激光模块中半导体激光芯片采用多台阶设置，将单管半导体激光芯片发出的激光快轴慢轴准直后进行多路空间拼接，并耦合到光纤里，实现高功率输出。
[0026]
作为优选，所述分隔板具有与台阶匹配的斜度。
[0027]
在上述方案中，分隔板设置斜度可以使得分隔板的厚度均匀，有利于导热。
[0028]
作为优选，所述半导体激光模块的输出功率≥100w。
[0029]
在上述方案中，半导体激光模块的输出功率越大，使得废热的产生量越大，在本发明中，能够满足半导体激光模块的输出功率≥100w的废热冷却问题。
[0030]
本发明的一种相变冷却半导体激光装置，通过将大功率半导体激光模块和相变冷却材料(热管理装置)封装在一体化的管壳壳体内，解决了现有技术整体体积大、热管理效率低的缺点；相变冷却材料能够将半导体激光模块的废热快速吸收储存，并在激光器出光间歇期通过底部的排热底板快速的排出，相变冷却材料状态恢复能够再次吸收废热。
[0031]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0032]
1、能够将半导体激光模块产生的废热快速排出，保持激光器的正常工作温度；
[0033]
2、减少了传统分体式所必须的传热中间结构，如tec、水管、微通道等，减少了冗余器件，使半导体模块更加紧凑、体积小、重量更轻，储能比更高，功耗更低，提高了热管理的精密控温水平；
[0034]
3、是一种集成度高、功耗小、体积小、功重比高的装置。
附图说明
[0035]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0036]
图1是激光装置的结构示意图；
[0037]
图2是激光装置的侧面剖视图。
[0038]
图中标记：1-壳体、2-半导体激光模块、3-热管、11-第一腔体、12-第二腔体、13-分隔板、14-排热底板。
具体实施方式
[0039]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0040]
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0041]
实施例1
[0042]
如图1所示，本实施例的一种相变冷却半导体激光装置，包括具有腔体的轻质高强度铝合金壳体，壳体内部设置轻质高强度铝合金制成的分隔板，将腔体由上到下分隔成第一腔体和第二腔体，第一腔体内设置输出功率≥100w的半导体激光模块，第二腔体内填充满泡沫石墨相变冷却材料，泡沫石墨采用真空加注和环控烘烤封装工艺；第二腔体底部设置轻质高强度铝合金排热底板，排热底板连接热管；壳体、分隔板和排热底板为一体化结构。
[0043]
在实施例中，第一腔体中设置半导体激光模块，实现半导体激光输出，在半导体激光输出过程中会有大量的废热产生，产生的废热通过轻质高强度铝合金分隔板传递给泡沫石墨相变冷却材料，泡沫石墨在激光出光期间吸收储存废热并将废热通过排热底板、热管排出，在激光出光间歇期泡沫石墨会迅速的将储存的废热通过排热底板、热管排出，泡沫石墨状态恢复，使激光器保持在正常的工作温度范围内。
[0044]
实施例采用一体化设计，将相变冷却与激光一体设计，减少了传热链路，大幅地降低了传热热阻，实现激光工作时相变冷却材料吸收废热，激光器间歇期放热内功率恢复的模式，从而达到高储能比、轻量化、小型化的目的，使半导体模块更加紧凑、体积小、重量更轻，储能比更高，功耗更低，提高了热管理的精密控温水平。
[0045]
需要说明的是，采用轻质高强度铝合金作为壳体、分隔板和排热底板的材质，使得半导体激光芯片的温度分布均匀，保证激光正常出光，同时可以将半导体激光模块的废热高效率传导至相变冷却材料，并可以快速将相变冷却材料储存的废热通过热管排走。壳体采用激光焊接封装的方式，半导体激光模块装配完成后，相变冷却材料采用真空加注的方式注入到管壳壳体内，在加注时设计耦合环控模块，保障壳体结构不变形。
[0046]
作为进一步的优化，在其他实施例中，半导体激光模块由上到下包括半导体激光芯片、高导热陶瓷和热沉，半导体激光芯片焊接在氮化铝高导热陶瓷上，氮化铝高导热陶瓷设置于铜热沉上，铜热沉再焊接到铝合金分隔板上，保证半导体激光芯片的温度分布均匀；氮化铝高导热陶瓷起绝缘和导热的作用，热沉能够将废热快速通过分隔板传递给相变冷却材料。
[0047]
作为进一步的优化，在其他实施例中，还包括与热管连接的辐射器，排热底板通过热管将废热传递到辐射器中，辐射器能够对废热进行利用，从而实现废热利用。
[0048]
作为进一步的优化，在其他实施例中，如图2所示，半导体激光模块中半导体激光芯片采用多台阶设置，对多个半导体激光芯片发出的光斑进行空间拼接、偏振合束，实现大功率半导体激光尾纤输出，半导体激光芯片为单管cos芯片；半导体激光模块中半导体激光芯片采用多台阶设置，将单管半导体激光芯片发出的激光快轴慢轴准直后进行多路空间拼接，并耦合到光纤里，实现高功率输出。
[0049]
作为进一步的优化，在其他实施例中，如图2所示，分隔板具有与台阶匹配的斜度，使得分隔板的厚度均匀，保证半导体激光模块的废热能够均匀的传递给第二腔体内的相变冷却材料。
[0050]
综上所述，采用本发明的一种相变冷却半导体激光装置，能够将半导体激光模块产生的废热快速排出，保持激光器的正常工作温度；减少了传统分体式所必须的传热中间结构，如tec、水管、微通道等，减少了冗余器件，使半导体模块更加紧凑、体积小、重量更轻，储能比更高，功耗更低，提高了热管理的精密控温水平；是一种集成度高、功耗小、体积小、功重比高的装置。
[0051]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。