一种高功率密度半导体激光器热沉的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器技术领域，具体的说是一种适用于高功率密度半导体激光器列阵条叠层封装的热沉结构。
【背景技术】
[0002]半导体激光器具有小型轻量、高效率、长寿命、适合批量生产等特点，由其作为泵浦源的固体激光器(DPSSL)广泛应用于工业、军事、医疗等领域。提高DPSSL输出功率要求半导体激光器能提供足够的泵浦光功率密度，并具有更高的可靠性。然而作为固体激光器的高效泵浦源，半导体激光器的峰值功率面密度还处于较低水平，在高能量应用系统上尚难以有效代替传统的灯泵。尽管几何封装密度远高于脉冲灯泵，但为了达到与脉冲灯泵的等效泵浦通量，在功率密度上仍需进行革命性提升，而其散热问题是直接影响功率密度的一个关键因素。传统微通道热沉具有较高的热导率，但是由于水流密封等要求，微通道热沉的封装间距仍较大，仅适用于1.8mm以上间距的叠层封装，封装功率密度约1.5kW/cm2，对于功率密度大于2kW/cm2的半导体激光器叠层器件要求的(0.4-1.0)_窄间距叠层封装则无能为力。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种新型高功率密度半导体激光器列阵条叠层封装的热沉结构，它适用于0.4mm-l.0mm窄间距的半导体激光器列阵条叠层器件封装，封装功率密度大于2kW/cm2，具有结构简单，方便耐用，而且散热效果好的优点。
[0004]为了实现上述目的，本发明提供一种高功率密度半导体激光器热沉，包括:
[0005]进水热沉，为一具有上窄下宽横截面的柱状结构，柱体厚度大于列阵条长度(标准1mm)，较窄的上表面用于焊接高密度封住的半导体激光器列阵条叠层。其一侧面开有入水孔，入水孔四周开有用于放置第一密封O圈的凹槽；所述入水孔将水道引入所述进水热沉后，水道方向变为垂直向上的水道，并延伸至接近进水热沉上表面的位置，之后变为水平方向的第一梳状导流齿水道；
[0006]中间热沉，外形与进水热沉相同，在与所述进水热沉的第一梳状导流齿水道相应的部位开有贯通于中间热沉两侧面的第二梳状导流齿水道，第二梳状导流齿水道两端外侧开有用于放置第二密封O圈的凹槽；
[0007]至少一个出水热沉，外形与进水热沉相同，一侧面在与所述进入热沉的第一梳状导流齿水道相应的部位开有沉在热沉内部的第三梳状导流齿水道，另一侧面在与所述进水热沉的入水孔相应的部位开有水平螺纹出水孔，所述出水孔四周开有用于放置第三密封O圈的凹槽；所述出水孔和梳状导流齿水道之间通过一段垂直直通水道连通；所述进水热沉、一个中间热沉和出水热沉通过四个螺钉和所述第二密封O圈固定组装成一整体热沉。
[0008]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0009]1、梯形柱状结构较窄的上表面用来焊接高密度封装的半导体激光器列阵条叠层，其发光面可作为侧泵固体激光器晶体棒的泵浦源单元，多个发光面围绕晶体棒可构成环状泵浦源；由于发光面较窄，在泵浦环面内的剩余空间可增设反光瓦，以增加晶体棒对泵浦光的吸收效率。
[0010]2、相比于以往的光滑直通水道，本发明的梳状导流齿水道结构中冷却水紧贴高密度封装的半导体激光器列阵条叠层散热，增大了对激光列阵条叠层的直接制冷量；同时，梳状导流齿不但使冷却水由湍流形式改为层流形式，保证热沉均匀散热，而且多齿结构还有效增大了冷却水与热沉之间的接触面积，提高热沉散热能力。
[0011]3、本发明中的三段分割热沉即可组装成一整体热沉，而后在其上进行半导体激光器列阵条叠层的封装，也可在分段热沉上单独进行半导体激光器列阵条叠层封装和光束整形，然后通过小O圈进行水路密封、通过螺钉进行紧固组装三段器件热沉，最后对所封装的三部分半导体激光器列阵条叠层进行电连接从而成为一整体器件。
[0012]4、本发明中的三段分割热沉可扩展成多段热沉密封衔接，并在其上封装多段半导体激光器叠层以获得更高功率的激光输出。
【附图说明】
[0013]图1是本发明中进水热沉进水面结构示意图。
[0014]图2是本发明中进水热沉内部水道结构示意图。
[0015]图3是本发明中进水热沉内侧面结构示意图。
[0016]图4是本发明中中间热沉前/后面结构示意图。
[0017]图5是本发明中中间热沉侧面结构示意图。
[0018]图6是本发明中出水热沉进水面结构示意图。
[0019]图7是本发明中出水热沉内部水道结构示意图。
[0020]图8是本发明中水热沉出水面结构示意图。
[0021]图9是本发明中三段热沉组装后进水面结构示意图。
[0022]图10是本发明中三段热沉组装后出水面结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0024]请参阅图1至图10所示，本发明提供一种高功率密度半导体激光器列阵条叠层热沉。包括:
[0025]一进水热沉10(同时参阅读图1-3)，为表面镀金无氧铜或紫铜材质，为一截面为上半部分为梯形、下半部分为长方形的柱状结构，热沉厚度为14mm-16mm。下表面宽度20mm-40mm，其较窄的上表面开有一条垂直于梯形截面的定位槽11 (参阅图1)，用于焊接时定位半导体激光器列阵条叠层(未图示)，所述半导体激光器列阵条叠层的发光面可作为侧泵固体激光器晶体棒的泵浦源单元。以上表面为内环面，将若干个该结构热沉器件围成环型，可满足对放置于其环型中心位置的晶体棒进行侧面泵浦的应用要求。焊接激光二极管列阵条时将列阵条平行地沿着定位槽11的定位边码放，定位槽11的宽度依照所需焊接半导体激光器列阵条的叠层数和间距确定，例如封装列阵条数量为8条、间距为1.0mm的叠层，则定位槽的宽度为8.0mm±0.5mm。将该进水热沉10与下文所述的中间热沉20和出水热沉30组合使用，其上所焊接的激光二极管可形成二维叠层列阵面。进水热沉10的第一梯形截面一端开有带O圈(例如规格Φ 10X2.5mm)密封凹槽12的水平螺纹入水孔13。凹槽12的内径与O圈内径相同，宽度为2.8mm-3.4mm，深度为1.8mm-1.9mm。入水孔13的内径为8.0mm-12.0mm，入水孔13将水道引入热沉10后，即变为垂直向上的水道14，并延伸至尽可能地接近热沉较窄的上表面定位槽11为止，之后又变为带有梳状导流齿的水平方向圆孔型水道15(参阅图2)。该梳状导流齿水道15沉在热沉内部沉孔19中(参阅图3)，水道15的内径为6.0mm-8.0mm，沉孔19深度为1.0mm-3.0mm，用以与B比邻的热沉20通过小O圈进行水路密封。导流齿的个数为4-8个，齿间间距0.5mm-l.0mm，齿端呈弧形分布。在所述第一梯形截面开有四个沉孔16，所述四个沉孔16分布在所述凹槽12的四周，紧接沉孔16开有贯穿整个入水热沉10的螺孔17 (参阅图3)0采用长螺钉(例如M3内六角不锈钢螺钉)穿过螺孔17、中间热沉20上的通孔22和出水热沉30上的螺孔32，可将该进水热沉10与中间热沉20、出水热沉30拧固在一起，同时也密封上述提到的凹槽12和沉孔19处的大小两个密封O圈。沉孔16的深度稍大于用于固定螺钉的螺钉帽加上垫圈的总厚度(如M3内六角不锈钢螺钉帽厚约4_，沉孔16的深度为5mm-7mm);沉孔16的直径稍大于螺帽垫圈外径(例如垫圈外径为5.9mm，沉孔16的直径为6mm_6.1mm)。在入水热沉10的两斜侧面对称的开有两矩形凹槽18，作为引出半导体激光器列阵条叠层正负极引线的限位槽。
[0026]一中间热沉20(同时参阅图4和图5)，外形与上述进水热沉10类似，优选为表面镀金无氧铜或紫铜材质，为一截面为上半部分为梯形、下半部分为长方形的柱状结构，热沉厚度为12mm-14mm。其上下表面宽度与进水热沉10的下表面宽度相同，其较窄的上表面同样开