專(zhuān)利名稱(chēng)：新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器制造領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光器，尤其是一種 新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體激光器的性能穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的不斷提高 ，大功率半導(dǎo)體激光器在工業(yè)、醫(yī)療和軍事中的應(yīng)用更加廣泛，市場(chǎng)需 求巨大，發(fā)展前景更加廣闊。
隨著各激光器的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體激光器 的要求也越來(lái)越高，這就需要大功率半導(dǎo)體激光器在輸出光功率、轉(zhuǎn)換 效率、可靠性和性能穩(wěn)定性上進(jìn)一步提高。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(jì)高可靠性的封裝結(jié)構(gòu)和高效的散熱結(jié)構(gòu)， 同時(shí)又能兼顧簡(jiǎn)單和低成本的設(shè)計(jì)原則是半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)生產(chǎn)所要追 求的。
目前，水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器有傳導(dǎo)冷卻型(如Michael Leers， Konstantin Boucke, Manfred Gotz， et al., Thermal resistance in dependence of diode laser packages, In: Mark S. Zediker eds. Proceedings of 56 SPIE, 2008. 6876 (687609))、傳導(dǎo)加液體制冷型(武德勇，嚴(yán)地勇，唐淳，高松 信，高平均功率面陣二極管激光器散熱分析，強(qiáng)激光與粒子束，第V13 (5), 2001.9)和微通道液體制冷型(RushikeshM,Patel, DavidK. Wagner, Allen D. Danner， Kam Fallahpour, Richard S. Stinnett, "Use of micro-channelcooling for high-power two-dimensional laser diode arrays", SPIE, vol.634:466-474 (1992))三種封裝形式。
對(duì)于傳導(dǎo)冷卻水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品而言，由于采用被 動(dòng)散熱方式，激光器在生熱量大時(shí)容易造成激光器溫度過(guò)高，導(dǎo)致激光 器的波長(zhǎng)漂移，壽命和可靠性下降，因此，功率擴(kuò)展受到限制。
對(duì)于傳導(dǎo)加液體制冷型大功率半導(dǎo)體激光器而言，激光器的激光輸 出是垂直向上的，整個(gè)激光器的散熱是通過(guò)連接激光器芯片的金屬電極 將熱傳導(dǎo)至導(dǎo)熱的絕緣層上，再由絕緣層將熱傳導(dǎo)至液體制冷器上，最 終將激光器的熱量傳導(dǎo)出去。此類(lèi)激光器具有以下幾點(diǎn)不足
1) 由于采用多個(gè)巴條直接一次回流成型的工藝方法，因此組裝前無(wú) 法對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行單獨(dú)老化，只能組裝好之后對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行整體老化。 這樣，若其中某一個(gè)或幾個(gè)巴條燒毀、短路或者不能正常工作，整個(gè)器 件也將全部失效。
2) 由于采用多個(gè)巴條一次回流成型的生產(chǎn)工藝，因此芯片數(shù)不能太 多，否則很難保證精確定位和發(fā)光的一致性，所以芯片數(shù)通常只能限制 在3-4個(gè)，這就限制了水平陣列半導(dǎo)體激光器的功率擴(kuò)展。
3) 熱交叉和累積的影響嚴(yán)重，由于焊接的芯片相互之間距離非常近， 會(huì)產(chǎn)生熱的熱交叉影響；而且冷卻介質(zhì)是串聯(lián)帶走熱的，這會(huì)使一個(gè)激 光器熱量的累積到下一個(gè)激光器，導(dǎo)致多個(gè)激光器上的溫度分布不均勻， 從而導(dǎo)致輸出波長(zhǎng)不一致。
綜上所述，盡管此類(lèi)激光器可以單獨(dú)老化，但散熱效果還是不佳， 激光器的功率擴(kuò)展仍受到限制。雖然采用主動(dòng)散熱，散熱能力增強(qiáng)，使激光器的功率得到很大的提高，但由于微通道液體制冷器的本身不足，使其成本很高。加工難度極大，成本較高導(dǎo)致該類(lèi)水平陣列激光器的價(jià)格很高。具體而言，此類(lèi)激光器有以下幾方面的缺陷
1) 使用和維護(hù)成本高。由于該制冷器的冷卻液與電子器件正負(fù)極直接接觸，因此在工作時(shí)必須使用高質(zhì)量的去離子水作為冷卻介質(zhì)，以防止正負(fù)極導(dǎo)通。去離子水成本高，并且在使用時(shí)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(guò)程中，需要對(duì)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(guò)時(shí)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(gè)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(guò)程中，若冷卻介質(zhì)(通常為去離子水)中存在雜質(zhì)時(shí)，這些雜質(zhì)很容易附著在微通道內(nèi)壁上，從而引起微通道管壁的電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可能將微通道制冷器的管壁蝕穿，對(duì)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(dòng)空間非常狹小，因此容易產(chǎn)生多余的壓力降，密封條件惡劣
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器及其制備方法，這種半導(dǎo)體激光器由多個(gè)獨(dú)立封裝的制冷單元組裝而成，多個(gè)制冷單元共用 一個(gè)大的液體制冷塊，并聯(lián)制冷，可以有效提高散熱能力，并且各制冷單元之間的散熱不會(huì)互相影響?？捎行г黾蛹す馄鞯妮敵龉夤β?，減小熱阻，提高激光器的光束質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的
這種新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器，包括下液體制冷塊、正極連接片、帶芯片的微制冷模塊、負(fù)極連接片和回水塊。所述下液體制冷塊的上端面設(shè)有兩組或兩組以上進(jìn)出水孔，所述每組進(jìn)出水孔包括一個(gè)垂直入水孔和一個(gè)垂直出水孔，所述垂直入水孔與設(shè)于下液體制冷塊內(nèi)的下液體制冷塊水平入水孔相通，所述垂直出水孔與設(shè)于下液體制冷塊內(nèi)的下液體制冷塊水平出水孔相通；所述微制冷模塊上設(shè)有制冷模塊入水孔和制冷模塊出水孔；所述下液體制冷塊上端面上相對(duì)于每組進(jìn)出水孔，并排設(shè)有兩塊或兩塊以上相互獨(dú)立的微制冷模塊，各微制冷模塊與下液體制冷塊之間均設(shè)有正極連接片，各微制冷模塊的上面均設(shè)有負(fù)極連接片，所述負(fù)極連接片上設(shè)置有回水塊；各微制冷模塊的制冷模塊入水孔和制冷模塊出水孔分別與下液體制冷塊上每組進(jìn)出水孔的垂直入水孔和垂直出水孔連通。
上述微制冷模塊包括銅連接片和微液體制冷片，微液體制冷片為多邊形片狀，微液體制冷片的中部垂直開(kāi)設(shè)有固定孔， 定孔的兩側(cè)分別設(shè)有制冷模塊入水孔和制冷模塊出水孔，所述制冷模塊入水孔內(nèi)設(shè)有散熱翅片，所述微液體制冷片在靠近制冷模塊入水孔的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)，所述微液體制冷片的芯片安裝區(qū)設(shè)有熱沉和芯片，熱沉與芯片的正極面貼合，所述芯片的負(fù)極面與銅連接片貼合，所述銅連接片與微液體制冷片之間還設(shè)有絕緣片。
上述下液體制冷塊上的垂直入水孔的上端開(kāi)口處設(shè)有沉槽，也可設(shè)有圓形等其他形狀沉槽，所述沉槽上設(shè)有防水密封圈。
上述負(fù)極連接片18與正極連接片20均固定于下液體制冷塊22上，所述負(fù)極連接片18與相鄰微制冷模塊27下的正極連接片20連接，使各微制冷模塊27上下側(cè)的每組負(fù)極連接片18和正極連接片20形成串聯(lián)的電連接形式，所述負(fù)極連接片18通過(guò)負(fù)極引片28引出；所述正極連接片20通過(guò)正極引片21引出。
上述負(fù)極連接片和微制冷模塊的中部均設(shè)有螺栓通孔，所述下液體制冷塊的上端面與下端面間設(shè)有一組垂直的螺栓固定孔，所述回水塊內(nèi)設(shè)有回水連通孔，回水塊的下端面上設(shè)有回水塊進(jìn)水孔和回水塊出水孔，回水塊進(jìn)水孔和回水塊出水孔與回水連通孔相通，回水塊的下端面上還設(shè)有回水塊固定螺孔，所述回水塊、微制冷模塊和負(fù)極連接片通過(guò)螺栓固定于下液體制冷塊上。
一種上述激光器的制備方法，具體包括以下步驟
1) 在微制冷模塊的微液體制冷片上打制冷模塊出水孔和固定孔，并在加工制冷模塊入水孔時(shí)同時(shí)加工出翅片；
2) 將清洗烘干后的微液體制冷片做電鍍處理，以防腐蝕4)采用貼片工藝將芯片的正極焊接到熱沉上；再用回流工藝將熱沉、芯片及絕緣片與微液體制冷片和銅連接片焊接在一起；
5) 在下液體制冷塊上開(kāi)孔，開(kāi)孔時(shí)下液體制冷塊水平入水孔和下液 體制冷塊水平出水孔的孔徑應(yīng)大于制冷模塊入水孔和制冷模塊出水孔的 孔徑；
6) 先將各防水密封圈分別放在下液體制冷塊的垂直入水孔處，然后 將各正極連接片放在下液體制冷塊上，再在上面擺放帶芯片的微制冷模 塊，然后分別將各負(fù)極連接片和回水塊依次疊放在微制冷模塊的上方， 將正極引片夾在最邊上的正極連接片下，將負(fù)極引片夾在最邊上的負(fù)極 連接片下，其中，前一個(gè)負(fù)極連接片與后一個(gè)正極連接片連接在一起， 之后用絕緣片隔開(kāi)下一個(gè)負(fù)極連接片，形成串聯(lián)的電連接，最后一個(gè)微 制冷模塊的負(fù)極直接通過(guò)負(fù)極引片引出，并用固定螺絲固定在下液體制 冷塊上以保證電連接的可靠性。最后，整個(gè)結(jié)構(gòu)用螺栓連接，制得所述
激光器o
上述熱沉的材質(zhì)為銅、銅鎢合金或者其他導(dǎo)熱率高的材料。
上述步驟4)中，所述連接芯片和熱沉的材料為焊料
上述步驟4)中，若微液體制冷片的芯片安裝區(qū)沒(méi)有臺(tái)階，采用軟
焊料連接芯片和微液體制冷片。 本發(fā)明具有以下有益效果 (1).散熱能力強(qiáng)本發(fā)明采用主動(dòng)散熱方式，液體直接沖至激光
器發(fā)熱部位熱沉的下方，迅速將熱量帶走，大大提高了陣列激光器的散
熱能力，可容易地實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展，滿足側(cè)泵或特殊用途對(duì)大功率的要求。(2) .替換性強(qiáng)由于采用每個(gè)激光器(帶芯片的微制冷模塊)單 獨(dú)封裝然后組裝的制造工藝，每個(gè)激光器可單獨(dú)制造，互相獨(dú)立，如果 單個(gè)激光器損壞可迅速被替換掉，因此不會(huì)影響到其他激光器的正常工 作。
(3) .使用成本低由于水平陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立發(fā)光的半導(dǎo)體激 光器可在損壞時(shí)被單獨(dú)替換，這樣可使整個(gè)水平陣列激光器的使用成本 降低。
(4) .可實(shí)現(xiàn)激光大功率輸出由于采用的微制冷模塊中微制冷器 采用散熱翅片的形式，制冷能力大大提高，水平陣列的激光器的數(shù)目可 大大增加，這樣可以實(shí)現(xiàn)更大的激光功率輸出，可以在連續(xù)(CW)和準(zhǔn) 連續(xù)(QCW)的模式下工作。
(5) .壽命長(zhǎng)、可靠性高按照本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體激光器具有 壽命長(zhǎng)、可靠性高、穩(wěn)定性高和體型小的特點(diǎn)。


圖l是本發(fā)明的拆解示意圖2是本發(fā)明帶芯片2的微制冷模塊27的實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的下液體制冷塊22的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的下液體制冷塊22的剖視圖； 圖5是本發(fā)明的回水塊17的結(jié)構(gòu)剖視圖6是本發(fā)明帶芯片2的微制冷模塊27的實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明的散熱示意圖。其中l(wèi)為熱沉；2為芯片；3為制冷模塊入水孔；4為散熱翅片；5 為固定孔；6為絕緣片；7為微液體制冷片；8為銅連接片；9為制冷模 塊出水孔；IO為橡膠密封圈；11為下液體制冷塊水平入水孔；12為下液 體制冷塊水平出水孔；13為連接片固定孔；14為垂直出水孔；15為螺栓 固定孔；16為垂直入水孔；17為回水塊；18為負(fù)極連接片；19為絕緣 片；20為正極連接片；21為正極引片；22為下液體制冷塊；23為防水 密封圈；24為回水塊出水口； 25為回水塊固定螺孔；26為回水塊進(jìn)水口； 27為微制冷模塊；28為負(fù)極引片；29為沉槽；30為回水連通孔；31為 熱量。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
參見(jiàn)圖1和圖7，(圖7是本發(fā)明已經(jīng)裝配好的整體外部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖1是圖7的各部件拆解示意圖)本發(fā)明的激光器主要是由下液體制冷
塊22、正極連接片20、帶芯片2的微制冷模塊27、負(fù)極連接片18和回 水塊17裝配組成的，另外還包括有一些輔助部件如橡膠密封圈10、絕 緣片19、防水密封圈23以及必要的螺栓或螺釘。
參見(jiàn)圖3和圖4,下液體制冷塊22的上端面設(shè)有兩組或兩組以上進(jìn) 出水孔(圖中給出了三組進(jìn)出水孔的情況)，每組進(jìn)出水孔包括一個(gè)垂直 入水孔16和一個(gè)垂直出水孔14。下液體制冷塊22的內(nèi)部還開(kāi)設(shè)有兩道 平行的水孔，它們分別是下液體制冷塊水平入水孔11和下液體制冷塊水 平出水孔12，各垂直入水孔16均與設(shè)于下液體制冷塊22內(nèi)的下液體制 冷塊水平入水孔11相通，各垂直出水孔14均與設(shè)于下液體制冷塊22內(nèi)的下液體制冷塊水平出水孔12相通。為了增加冷卻水在孔道內(nèi)的湍流程 度，垂直入水孔16的上端開(kāi)口處設(shè)有沉槽29，沉槽29可以設(shè)置成矩形， 如圖中所示，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)成其他形狀。沉槽29的口徑遠(yuǎn)大 于垂直如水孔16，并且沉槽29上設(shè)有防水密封圈23，沉槽29邊沿加工 有臺(tái)階，防水密封圈23安裝于臺(tái)階上。下液體制冷塊22的上端面與下 端面間還設(shè)有一組垂直的螺栓固定孔15，螺紋固定孔15的下端設(shè)有沉孔 用于安裝螺栓頭，螺紋固定孔15的位置介于每組進(jìn)出水孔的垂直入水孔 16和一個(gè)垂直出水孔14之間，下液體制冷塊22在垂直出水孔14所在的 面上設(shè)有臺(tái)階。
參見(jiàn)圖2和圖6，微制冷模塊27上設(shè)有制冷模塊入水孔3和制冷模 塊出水孔9，如圖2是微制冷模塊27的實(shí)施例一具體結(jié)構(gòu)微制冷模塊 27包括銅連接片8和微液體制冷片7，微液體制冷片7為多邊形片狀， 微液體制冷片7的中部垂直開(kāi)設(shè)有固定孔5，固定孔5的兩側(cè)分別設(shè)有制 冷模塊入水孔3和制冷模塊出水孔9，并且制冷模塊入水孔3內(nèi)設(shè)有散熱 翅片4。微液體制冷片7在靠近制冷模塊入水孔3的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)， 所述微液體制冷片7的芯片安裝區(qū)設(shè)有熱沉1和芯片2，由于該實(shí)施例中 設(shè)有熱沉1，所以在芯片安裝區(qū)設(shè)有一個(gè)臺(tái)階。熱沉1與芯片2的正極面 貼合，芯片2的負(fù)極面與銅連接片8貼合，銅連接片8與微液體制冷片7 之間還設(shè)有絕緣片6。如圖6是微制冷模塊27的實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖， 與圖2不同的是這種結(jié)構(gòu)省去了熱沉1，這樣在芯片安裝區(qū)不用設(shè)置臺(tái)階， 芯片2的正極面直接貼于為液體制冷器7上。具體是否設(shè)置熱沉1，要 據(jù)用戶需要來(lái)定。參見(jiàn)圖5，回水塊17內(nèi)設(shè)有回水連通孔30，回水連接孔30是一個(gè) 盲孔，其開(kāi)口端通常用塞子堵住防止冷卻水流出(圖中未畫(huà)出)。回水塊 17的下端面上設(shè)有回水塊進(jìn)水孔26和回水塊出水孔24，回水塊進(jìn)水孔 26和回水塊出水孔24與回水連通孔30相通，回水塊17的下端面上還設(shè) 有回水塊固定螺孔25。
負(fù)極連接片18的形狀是根據(jù)微制冷模塊27設(shè)計(jì)的，其根據(jù)微制冷 模塊27的制冷模塊入水孔3和制冷模塊出水孔9以及螺栓通孔相應(yīng)開(kāi)設(shè) 有通孔。正極連接片20為一小片金屬片，其相應(yīng)于微制冷模塊27的制 冷模塊出水孔9開(kāi)設(shè)有通孔。
本發(fā)明的各部件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下
下液體制冷塊22上端面上相對(duì)于每組進(jìn)出水孔，并排設(shè)有兩塊或兩 塊以上相互獨(dú)立的微制冷模塊27 (圖1和圖7中均為設(shè)置三塊的情況)， 各微制冷模塊27與下液體制冷塊22之間均設(shè)有正極連接片20，各微制 冷模塊27的上面均設(shè)有負(fù)極連接片18。各負(fù)極連接片18上設(shè)置有回水 塊17;各微制冷模塊27的制冷模塊入水孔3和制冷模塊出水孔9分別與 下液體制冷塊22上每組進(jìn)出水孔的垂直入水孔16和垂直出水孔14連通。 同時(shí)，各微制冷模塊27的制冷模塊入水孔3和制冷模塊出水孔9也分別 與回水塊17上的回水塊進(jìn)水孔26和回水塊出水孔24連通。下液體制冷 塊22上每組進(jìn)出水孔的垂直入水孔16上的沉槽29處于微制冷模塊27 下面，并通過(guò)防水密封圈23與微制冷模塊27的微液體制冷片7貼合。 正極連接片20安裝于下液體制冷塊22在垂直出水孔14所在的面上的臺(tái) 階上，各正極連接片20與分別各微制冷模塊27的微液體制冷片7下面貼合，且首個(gè)正極連接片20直接與正極引片21連接，下一個(gè)正極連接 片與上一個(gè)負(fù)極連接片連接，各負(fù)極連接片18與各微制冷模塊27上的 銅連接片8貼合，且每一個(gè)負(fù)極連接片18與下一個(gè)正極連接片20相互 連接，即各微制冷模塊27上下側(cè)的每組負(fù)極連接片18和正極連接片20 形成串聯(lián)的電連接形式，最后一個(gè)微制冷模塊的負(fù)極連接片18直接通過(guò) 負(fù)極引片28引出。各正極連接片20和其對(duì)應(yīng)的各負(fù)極連接片18均通過(guò) 螺釘固定于下液體制冷塊22側(cè)邊的一組連接片固定孔13上，并且在每 組正極連接片20和負(fù)極連接片18之間設(shè)有用于絕緣的絕緣片19。
回水塊17、微制冷模塊27和負(fù)極連接片18通過(guò)螺栓固定于下液體 制冷塊22上，具體為螺栓由下液體制冷塊22上的螺紋固定孔15下端穿 入，分別穿過(guò)微制冷模塊27和負(fù)極連接片18的螺栓通孔，最后旋于回 水塊17下端的回水塊固定螺孔25內(nèi)。本發(fā)明中為了保證密封性，在微 制冷模塊27的制冷模塊入水孔3和制冷模塊出水孔9上均設(shè)有橡膠密封 圈10。
本發(fā)明的制作過(guò)程如下
(1) 在微液體制冷片7上打制冷模塊出水孔9和固定孔5，并在加 工制冷模塊入水孔3時(shí)同時(shí)加工出翅片4;
(2) 將清洗烘干后的微液體制冷片7做做電鍍處理，以防腐蝕；
(3) 采用貼片工藝?yán)糜埠噶?金錫合金)將芯片2的正極(p面) 焊接到熱沉1上；再用回流工藝將熱沉1、芯片2及絕緣片6與微液體制 冷片7和銅連接片8焊接起來(lái)(如圖2所示)；若微液體制冷片7的芯片 安裝區(qū)沒(méi)有臺(tái)階，采用軟焊料連接芯片2和微液體制冷片7。(4) 在下液體制冷塊22上開(kāi)孔，開(kāi)孔時(shí)下液體制冷塊水平入水孔 11和下液體制冷塊水平出水孔12的孔徑應(yīng)略大于制冷模塊入水孔3和制 冷模塊出水孔9的孔徑，確保水流平穩(wěn)；
(5) 先將N個(gè)防水密封圈23放在下液體制冷塊22的垂直入水孔 16處，然后將正極連接片20放在下液體制冷塊22上，再在上面平行擺 放N個(gè)帶芯片2的微制冷模塊27。然后分別將負(fù)極連接片18和回水塊 17依次疊放在微制冷模塊27的上方，將正極引片21夾在最邊上的正極 連接片20下，將微液體制冷模塊27的正極連接片21、上一個(gè)負(fù)極連接 片18、絕緣片19和負(fù)極引片28依次有里向外固定在下液體制冷塊的邊 沿；其中，負(fù)極連接片18與正極連接片20之間用絕緣片19隔開(kāi)，并用 固定螺絲固定在下液體制冷塊22上以保證電連接的可靠性。最后，整個(gè) 結(jié)構(gòu)用螺栓連接；
(6) 測(cè)試，確保各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均合格后出廠。 本發(fā)明的工作過(guò)程是這樣的
芯片2上的連接在正負(fù)極之間的p-n結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光材料被加上正向 偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方 向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū) 中的自由電子在正向電壓的作用下不間斷地通過(guò)p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，同時(shí) 在結(jié)區(qū)內(nèi)存在大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn) 生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射 出來(lái)。激光器工作時(shí)的發(fā)熱利用圖2所示的微制冷模塊27來(lái)散熱。參見(jiàn) 圖8，冷卻液從下液體制冷塊22的下液體制冷塊水平入水孔11進(jìn)入到各個(gè)垂直入水孔16，在沉槽29內(nèi)突擴(kuò)，冷卻液大面積接觸微制冷模塊27 安裝芯片部位的下側(cè)面，然后從各微制冷模塊27的制冷模塊入水孔3經(jīng) 過(guò)散熱翅片4吸收芯片2工作時(shí)發(fā)出的熱量31，之后向上流入回水塊17 的回水塊進(jìn)水孔26，經(jīng)回水連通孔30和回水塊出水孔24后流經(jīng)制冷模 塊出水孔9進(jìn)入各垂直出水孔14，最后匯聚到下液體制冷塊22的下液體 制冷塊水平出水孔12后排出，將熱量帶出。
綜上所述，本發(fā)明與微通道液體制冷半導(dǎo)體激光器陣列產(chǎn)品相比， 本發(fā)明可以在滿足使用功率和占空比要求的條件下極大地降低成本、減 小熱阻，同時(shí)克服冷卻介質(zhì)壓降過(guò)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。
本發(fā)明的技術(shù)方案不局限于以上對(duì)具體實(shí)施方式
的描述，也不局限 于說(shuō)明書(shū)附圖中所示的結(jié)構(gòu)形式，任何等同或者類(lèi)似于本發(fā)明的技術(shù)方 案都將落入本發(fā)明的權(quán)利范圍，以下列出本發(fā)明還可以采用的部分替換 方案
1. 熱沉1的材質(zhì)為銅、銅鎢合金、金剛石或金剛石與銅的復(fù)合材
料
2. 微液體制冷片7的散熱翅片4可以形狀各異(包括網(wǎng)狀、圓型)， 位置可以與圖示翅片方向呈不同的角度。
3. 整個(gè)半導(dǎo)體激光器的進(jìn)出水口不局限于都設(shè)置在液體制冷塊 22上，也可以將進(jìn)水口設(shè)于下液體制冷塊22上，將出水口設(shè)于回水塊 17上。
4. 下液體制冷塊22上的進(jìn)出水口可以在同一側(cè)，也可以分布于左右兩側(cè)?？梢灾挥幸粋€(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，也可以有一個(gè)以上的進(jìn) 出水口。
5. 下液體制冷塊22和微制冷模塊27上的制冷液通道(如垂直入 水孔16、垂直出水孔14、制冷模塊出水孔9、制冷模塊入水孔3等等) 的截面可以為任何形狀，如矩形、橢圓形等。
6. 回水塊17可單獨(dú)分立，與微制冷模塊27—一對(duì)應(yīng)，也可為一 個(gè)整體，回水塊17的材料可為金屬或者非金屬材料。
權(quán)利要求
1.一種新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器，包括下液體制冷塊(22)、正極連接片(20)、帶芯片(2)的微制冷模塊(27)、負(fù)極連接片(18)和回水塊(17)，其特征在于所述下液體制冷塊(22)內(nèi)設(shè)有下液體制冷塊水平入水孔(11)和下液體制冷塊水平出水孔(12)，所述下液體制冷塊(22)的上端面設(shè)有兩組或兩組以上進(jìn)出水孔，所述每組進(jìn)出水孔包括一個(gè)垂直入水孔(16)和一個(gè)垂直出水孔(14)，所述垂直入水孔(16)與下液體制冷塊水平入水孔(11)相通，所述垂直出水孔(14)與下液體制冷塊水平出水孔(12)相通；所述微制冷模塊(27)上設(shè)有制冷模塊入水孔(3)和制冷模塊出水孔(9)；所述下液體制冷塊(22)上端面上相對(duì)于每組進(jìn)出水孔，并排設(shè)有兩塊或兩塊以上相互獨(dú)立的微制冷模塊(27)，各微制冷模塊(27)與下液體制冷塊(22)之間均設(shè)有正極連接片(20)，各微制冷模塊(27)的上面均設(shè)有負(fù)極連接片(18)，所述負(fù)極連接片(18)上設(shè)置有回水塊(17)；各微制冷模塊(27)的制冷模塊入水孔(3)和制冷模塊出水孔(9)分別與下液體制冷塊(22)上每組進(jìn)出水孔的垂直入水孔(16)和垂直出水孔(14)連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述微制冷模塊(27)包括銅連接片(8)和微液體制冷片(7)，微 液體制冷片(7)為多邊形片狀，微液體制冷片(7)的中部垂直開(kāi)設(shè)有固定 孔(5)，固定孔(5)的兩側(cè)分別設(shè)有制冷模塊入水孔(3)和制冷模塊出水 孔(9)，所述制冷模塊入水孔(3)內(nèi)設(shè)有散熱翅片(4)，所述微液體制冷 片(7)在靠近制冷模塊入水孔(3)的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)，所述微液體制 冷片(7)的芯片安裝區(qū)設(shè)有熱沉(1)和芯片(2)，熱沉(1)與芯片(2) 的正極面貼合，所述芯片(2)的負(fù)極面與銅連接片(8)貼合，所述銅連接片(8)與微液體制冷片(7)之間還設(shè)有絕緣片(6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述下液體制冷塊(22)上的垂直入水孔(16)的上端開(kāi)口處設(shè)有沉 槽(29)，所述沉槽(29)上設(shè)有防水密封圈(23)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述負(fù)極連接片(18)與正極連接片(20)均固定于下液體制冷塊(22) 上，所述負(fù)極連接片(18)與相鄰微制冷模塊(27)下的正極連接片(20) 連接，使各微制冷模塊(27)上下側(cè)的每組負(fù)極連接片(18)和正極連接片(20)形成串聯(lián)的電連接形式，所述負(fù)極連接片(18)通過(guò)負(fù)極引片(28) 引出；所述正極連接片(20)通過(guò)正極引片(21)引出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器,其特征 在于所述負(fù)極連接片(18)和微制冷模塊(27)'的中部均設(shè)有螺栓通孔， 所述下液體制冷塊(22)的上端面與下端面間設(shè)有一組垂直的螺栓固定孔(15)，所述回水塊(17)內(nèi)設(shè)有回水連通孔(30)，回水塊(17)的下端面 上設(shè)有回水塊進(jìn)水孔(26)和回水塊出水孔(24)，回水塊進(jìn)水孔(26)和 回水塊出水孔(24)與回水連通孔(30)相通，回水塊(17)的下端面上還 設(shè)有回水塊固定螺孔(25)，所述回水塊(17)、微制冷模塊(27)和負(fù)極連 接片(18)通過(guò)螺栓固定于下液體制冷塊(22)上。
6. —種權(quán)利要求1所述激光器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1) 在微制冷模塊(27)的微液體制冷片(7)上打制冷模塊出水孔(9) 和固定孔(5)，并在加工制冷模塊入水孔(3)時(shí)同時(shí)加工出翅片(4);2) 將清洗烘干后的微液體制冷片(7)做電鍍處理；4)采用貼片工藝將芯片(2)的正極焊接到熱沉(1)上；再用回流工藝將熱沉(1)貼在微液體制冷片(7) —端，并將絕緣片(6)貼在微液體 制冷片(7)的上側(cè)面，在絕緣片(6)的上面貼上銅連接片(8);5) 在下液體制冷塊(22)上開(kāi)孔，開(kāi)孔時(shí)下液體制冷塊水平入水孔(11) 和下液體制冷塊水平出水孔(12)的孔徑應(yīng)大于制冷模塊入水孔(3)和制 冷模塊出水孔(9)的孔徑；6) 先將各防水密封圈(23)分別放在下液體制冷塊(22)的垂直入水 孔(16)處，然后將各正極連接片(20)放在下液體制冷塊(22)上，再在 上面擺放帶芯片(2)的微制冷模塊(27),然后分別將各負(fù)極連接片(18) 和回水塊(17)依次疊放在微制冷模塊(27)的上方，將正極引片(21)夾 在最邊上的正極連接片(20)下，將負(fù)極引片(28)夾在最邊上的負(fù)極連接 片(18)下，其中，前一個(gè)負(fù)極連接片(18)與后一個(gè)與其相鄰的正極連接 片(20)連接在一起，形成串聯(lián)的電連接，將各微制冷模塊(27)上下側(cè)的 負(fù)極連接片(18)和正極連接片(20)用絕緣片(19)隔開(kāi)，并用固定螺絲 固定在下液體制冷塊(22)上以保證電連接的可靠性；最后，整個(gè)結(jié)構(gòu)用螺 栓連接，制得所述激光器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器的制備方法，其特征在于，所述熱沉(1)的 材質(zhì)為銅、銅鎢合金、金剛石或金剛石與銅的復(fù)合材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器的制備方法，其特征在于，步驟4)中，若微 液體制冷片(7)的芯片安裝區(qū)沒(méi)有臺(tái)階，采用軟焊料連接芯片(2)和微液 體制冷片(7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型低成本水平陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器及其制備方法，該激光器包括下液體制冷塊、密封圈、正極引片、正極連接片、微制冷模塊、負(fù)極連接片、絕緣片、負(fù)極引片、和回水塊。下液體制冷塊上端面上的每組進(jìn)出水孔上各設(shè)有一個(gè)微制冷模塊，微制冷模塊與下液體制冷塊之間均夾有正極連接片，每個(gè)微制冷模塊的上面依次疊置有負(fù)極連接片和回水塊。這種半導(dǎo)體激光器具有散熱能力強(qiáng)、替換性強(qiáng)、使用成本低、壽命長(zhǎng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)激光大功率輸出。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101640378SQ20091002374
公開(kāi)日2010年2月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安炬光科技有限公司