量的对流散热模块2与高效的外部循环散热模块5将热量导出到装置外部。
[0043]底部的膨胀匹配导热层1由导热金属铜片和导热绝缘硅片组成；对流换热模块2包括由高热导率的无氧铜制成的高热导率金属外壳200，通过金锡焊料的焊接层与膨胀匹配导热层1紧密连接。
[0044]高热导率金属外壳200由紫铜组成；包括微通道结构的无氧铜热沉(204)，微通道结构中充有低熔点金属3，所述低熔点金属3为镓、铟、锡三种金属组成的合金，质量百分比为:62.8% Ga，21.3% In，与15.9% Sn，合金的熔点约为11°C。连接对流换热模块2与外部散热模块5的管道4是由塑料做成的柔性管道，本实施例采用电磁泵作为驱动泵6驱动外部散热模块5，装置中无任何机械转动部件、因而无磨损、低噪声；为实现0.1度的温控精度要求，半导体激光器产生的热量经过对流换热模块2、管道4，直接传输到液态金属散热器501中，本实施例中为板式换热器结构，在其中与借助冷媒(型号R410a)进行热量交换，热量经冷媒导出到制冷/制热元件502，最终热量由环境换热部件503导至外部环境中。
[0045]本实施例中，在管道4中，设置恒温箱505，恒温箱505中放有温度传感器504，将温度信号实时传输至反馈控制电路506，再由反馈控制电路506控制电磁泵6的流速以及制冷/制热元件502的制冷功率；以保证恒温箱505中液态金属温度的稳定。
[0046]其中本实施例中制冷/制热元件502为压缩制冷机，与现有激光水冷机中相关部件结构相同，包括蒸发器、压缩机、冷凝器，以及管道中的高压控制器、膨胀阀等元件。
[0047]实施例2，如图2所示，本实施例提供的一种半导体激光器的热管理装置，包括一面与半导体激光器0相连接的膨胀匹配导热层1，膨胀匹配导热层1的另一面与对流换热模块2连接；
[0048]对流换热模块2中流通有低熔点金属3 ；
[0049]对流换热模块2包括高热导率金属外壳200。
[0050]本实施例中，膨胀匹配导热层1为金刚石导热薄膜，金刚石导热薄膜与半导体激光器0之间通过焊接层连接，半导体激光器0产生的热量经金刚石导热薄膜和焊接层传导到对流换热模块2中，由于LD为高功率单bar结构，由于热流密度较高(约100W/cm2)，因此低熔点金属3采用镓组成，镓的熔点为29.8°C。液态金属镓作为热的良导体，迅速将热量传导至对流散热模块2的无氧铜外壳，及其外部的无氧铜的散热翅片201处，高热导率金属外壳200顶部通过焊接层，与金刚石导热薄膜相连接。由于总热量不高，本实施例采用风扇作为风冷模块202，利用流动的空气，带走经高热导率金属外壳200和散热翅片201带出来的热量。
[0051]实施例3，如图3所示，本实施例提供的一种半导体激光器的热管理装置，包括一面与半导体激光器0相连接的膨胀匹配导热层1，膨胀匹配导热层1的另一面与对流换热模块2连接；
[0052]对流换热模块2中流通有低熔点金属3 ；
[0053]对流换热模块2包括高热导率金属外壳200。
[0054]本实施例中半导体激光器0采用间歇运转，低熔点金属3为镓，热量经膨胀匹配导热层1传导到高热导率金属外壳200之后，金属外壳200吸收的热被低熔点金属镓吸收，同时其由固态转变为固液混合态。大量的热转换为相变所需的潜热，同时维持系统的温度恒定。并且高热导率金属外壳200与外界通过辅助电制冷/制热器连接，本实施例中的辅助电制冷/制热器203为基于帕尔贴效应的热电制冷器TEC，在出光的间歇期通过TEC将热量由高热导率金属外壳200内部导到装置之外。实现系统的复位。高热导率金属外壳200除了与LD接触的一个面，其余各面均采用TEC将热量导出，极大地扩展了散热面积，同时保持了系统的小体积。本实施例通过相变潜热储存吸收的热，从而进一步提升装置的紧凑性。
[0055]以上实施例由于采用工作物质的是低熔点的液态金属，无须像水冷方案那样经常更换水和滤芯，以防堵塞通道，通过管道及换热器内壁选择合适的材料，因此可以基本做到免维护。散热能力强，使用的液态金属热导率高，粘度低，换热效率高，因而可降低单位时间流量，从而有利于在相同制冷功率下装置的小型化。
[0056]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照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，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种半导体激光器的热管理装置，其特征在于，包括一面与半导体激光器(0)相连接的膨胀匹配导热层(1)，膨胀匹配导热层(1)的另一面与对流换热模块(2)连接； 对流换热模块(2)中有熔点范围从-10°C?60°C的低熔点金属(3)； 对流换热模块(2)包括热导率>100W.m'.K1的高热导率金属外壳(200)。2.根据权利要求1所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，对流换热模块(2)通过管道(4)与外部散热模块(5)连接； 所述对流换热模块(2)、管道(4)、外部散热模块(5)中有熔点范围从-10°C?60°C的低熔点金属⑶； 所述对流换热模块(2)、管道(4)、外部散热模块(5)形成流通的闭合回路； 对流换热模块(2)、管道(4)、外部散热模块(5)中的液态金属(3)由驱动泵(6)进行驱动，驱动泵(6)是机械泵，或者电磁泵，或者离心泵，或者上述几种泵的任意组合。3.根据权利要求1所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，对流换热模块(2)连接有散热翅片(201)，或连接有风冷模块(202)，或连接有辅助电制冷/制热器(203)，或连接有对流换热的热沉(204)，或连接有散热翅片(201)、风冷模块(202)、辅助电制冷/制热器(203)、热沉(204)的任意组合； 所述对流换热的热沉(204)的几何结构通过焊接层/导热胶涂层(205)与膨胀匹配导热层(1)紧密连接。 所述金属外壳(200)的成分为金、银、铜、铝。4.根据权利要求3所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，所述对流换热的热沉(204)的几何结构为密封腔，或者单路或多路通道，或者微通道结构； 所述对流换热的热沉(204)的几何结构中充有低熔点金属(3)，对流换热方式包括自然对流、强制对流。5.根据权利要求2所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，对流换热模块(2)与外部散热模块(5)中的液态金属换热器(500)通过管道(4)进行联通，管道(4)是由塑料做成的柔性管道，或者铝、铜或银或玻璃制成的硬连接管道。6.根据权利要求2所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，外部散热模块(5)包括液态金属换热器(501)； 其中液态金属换热器(501)组成包括:板式换热器、或管式换热器、或翅片换热器。7.根据权利要求6所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，液态金属换热器(501)连接环境换热部件(503)，或者制冷/制热单元(502)，或者同时连接环境换热部件(503)与制冷/制热单元(502)； 其中环境换热部件(503)组成包括:传导热沉、或辐射换热片、或板式换热器、或管式换热器、或翅片换热器、或风冷或水冷换热器或上述单元的任意组合； 制冷/制热单元(502)包括:风冷模块、或水冷散热器、或借助冷媒的制冷/制热单元、或上述单元的任意组合。8.根据权利要求2所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，所述外部散热模块(5)包括温度传感器(504)、恒温箱(505)、反馈控制电路(506)，通过控制换热速率，保持液态金属回到对流换热模块(2)处的温度恒定。9.根据权利要求1至8中任意一项所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，所述低熔点金属(3)的初始状态为液态，固态，或固液混合态；其成分是低熔点金属单质，或多种金属的混合物； 通过低熔点金属的相变过程实现相变换热。10.根据权利要求1至8中任意一项所述的半导体激光器的热管理装置，其特征在于，所述膨胀匹配导热层(1)是由金刚石，或金属氧化物，或金属氮化物，或非金属及其化合物组成的片状或板条状或薄膜结构的导热绝缘体。
【专利摘要】本发明涉及一种半导体激光器的热管理装置，包括充有低熔点金属(3)的对流换热模块(2)，半导体激光器(0)与对流换热模块(2)之间通过膨胀匹配导热层(1)实现热传递，对流换热模块(2)吸收热量后温度升高，通过高热导率金属外壳(200)和低熔点金属(3)进行散热。基于上述结构，避免了采用微通道水冷时，在水循环运行中长期运转导致的器件老化、腐蚀；同时解决了需要对水质与管道进行严格的控制和定期更换水的问题，并且大幅度提高了冷却效率，降低了装置体积和系统噪声，提高了装置可靠性与稳定性。可应用于半导体激光器，特别是高平均功率半导体激光阵列的热管理领域。
【IPC分类】H01S5/024
【公开号】CN105281198
【申请号】CN201410239521
【发明人】杨晶, 许祖彦, 闫彪, 彭钦军, 许家林, 高伟男, 王伟伟
【申请人】中国科学院理化技术研究所
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2014年5月30日