專利名稱：一種多光束陣列激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)激光技術(shù)和熱管理結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別涉及到多光束陣列結(jié)構(gòu)激光器熱管理結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，高功率激光器的需求成為各行業(yè)的焦點(diǎn)。在激光器領(lǐng)域，目前獲得高功率激光輸出的成本比較高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因?yàn)槿狈τ行У臒峁芾矸绞?，而?dǎo)致激光器壽命縮短的情況比比皆是。而且后期維護(hù)成本較高，這些問(wèn)題使得激光器的廣泛應(yīng)用受到遏制。在對(duì)可見(jiàn)光的需求領(lǐng)域，特別是激光顯示領(lǐng)域，紅光和藍(lán)光的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成熟商用，但高功率綠光激光器的實(shí)現(xiàn)，仍只能依靠半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器頻率變換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出，特別是腔內(nèi)倍頻綠光技術(shù)，以其高效，緊湊，低成本的優(yōu)勢(shì)使得綠光激光器商用化成為可能。除了綠光波段，在其他更廣泛的波段中，半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器頻率變換技術(shù)也仍可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)段輸出。以滿足激光顯示，生物醫(yī)療，醫(yī)藥化工，物理化學(xué)科研以及軍事航空，航天等領(lǐng)域的廣泛需求。隨著各領(lǐng)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)，高功率激光輸出的需求日益增加，高效，低成本的激光器熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為迫在眉睫的議題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種高效，緊湊，低成本的多光束陣列激光器熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明提出的多光束陣列激光器，包括LD泵浦光源、此LD泵浦光源是由多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列。由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)，每一個(gè)一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶 體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)同每一個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。另外還包括濾波片、激光器封裝散熱架構(gòu)件。上述技術(shù)方案中，多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列采用同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，如半導(dǎo)體制冷片，熱管，液體、氣體冷卻板和微通道散熱結(jié)構(gòu)等。上述技術(shù)方案中，采用高轉(zhuǎn)換效率，一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)，配合相應(yīng)熱沉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多光束激光器封裝。由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)部分采用一體化鰭狀散熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模組熱管理。上述技術(shù)方案中，可根據(jù)需要，安排組合數(shù)量，可以設(shè)計(jì)為2 X 2，2 X 3，3 X 3，mX η(m彡2, η彡2)等,組合方式多樣化。上述技術(shù)方案中，每一維度的η (η ^ 2)臺(tái)激光器同時(shí)調(diào)節(jié)，共同達(dá)到最高功率，且輸出光束實(shí)現(xiàn)空間平行，無(wú)交匯。本專利提出的針對(duì)多光束陣列激光器的獨(dú)特，新穎熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大功率，低成本規(guī)模化激光器生產(chǎn)，用于泵浦源的LD可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)結(jié)合的連接方式，實(shí)現(xiàn)單光束的若干倍功率輸出。在很大程度上有效地解決了半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器頻率變換技術(shù)的高效，大功率輸出難題。本專利提出的熱管理結(jié)構(gòu)方案，大大降低了熱管理成本，優(yōu)化了熱空間分布，解決和大功率激光器熱管理這一核心問(wèn)題。不僅可以使單點(diǎn)低功率整合為多點(diǎn)高功率成為可能，降低了成本，提高了性能方面的轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)效率，而且因?yàn)榻Y(jié)合了多個(gè)獨(dú)立一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組),也使組裝,維護(hù)更加方便，制造和維修成本低，采用本專利所述方法生產(chǎn)的激光器，如單管出問(wèn)題，可隨時(shí)更換，不必更換整體，只需維修出問(wèn)題的單光束部件，從而節(jié)省成本，降低風(fēng)險(xiǎn)。使材料成本和投資風(fēng)險(xiǎn)多點(diǎn)化，平均化。本專利是實(shí)現(xiàn)大功率，低成本，多光束陣列激光器規(guī)?；a(chǎn)的有效熱管理設(shè)計(jì)，在激光顯示，生物醫(yī)療，醫(yī)藥化工，物理化學(xué)科研以及軍事航空，航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。以下結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中:

圖1是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器；圖2是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用半導(dǎo)體制冷片主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)；圖3是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用熱管主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)；圖4是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用液體`、氣體冷卻板主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)；圖5是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用微通道主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)；圖面說(shuō)明，如下圖所示:1.一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)；2.半導(dǎo)體激光器；3.一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)的散熱鰭片；4.一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)的熱沉；5.一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)熱沉和側(cè)板的固定部件；6.左側(cè)封閉側(cè)板；7.右側(cè)帶半導(dǎo)體激光器電源引線的側(cè)板；8.半導(dǎo)體激光器連接線；9.電源出線正極；10.電源出線負(fù)極；11.帶輸出孔的激光器頂板，輸出孔處有濾波片；12.輸出的激光束；13.半導(dǎo)體制冷片；[0034]14.溫度傳感器；15.散熱鰭片；16.風(fēng)扇；17.多光束陣列激光器；18.熱沉；19.導(dǎo)熱管；20.液體，氣體管道；21.液體或氣體制冷機(jī)；22.微通道散熱片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附 圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說(shuō)明。圖1是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器。其采用六個(gè)輸出波長(zhǎng)為808nm附近的半導(dǎo)體激光器2作為一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)I的泵浦源。組合擺放結(jié)構(gòu)為兩排，每排三個(gè)，即2X3，擺放結(jié)構(gòu)不受限于此，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)整為2X2，2X3，3X3，mXn(m彡2，η彡2)等，組合方式多樣化。半導(dǎo)體激光器2可獨(dú)立輸出泵浦光，輸出波長(zhǎng)在808nm附近。他們之間的連接方式可為串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)組合。在每一個(gè)半導(dǎo)體激光器2的發(fā)光方向上放置一個(gè)一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)1，其中模組的輸入面鍍有808nm波長(zhǎng)高透膜(透過(guò)率大于99.8%)，1064nm波長(zhǎng)高反膜(反射率大于99.8%)，532nm波長(zhǎng)高反膜(反射率大于99.8%)，輸出面鍍有1064nm波長(zhǎng)高反膜(反射率大于99.8%)，532nm波長(zhǎng)增透膜(透過(guò)率大于98%)。此模組首先要固定在熱沉4上，固定方式可為導(dǎo)熱膠，銀膠等膠粘，共晶焊接或其他焊接，但不限于此。帶有一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)1的熱沉4固定在散熱鰭片3上，固定方式可為導(dǎo)熱膠，銀膠等膠粘，共晶焊接或其他焊接方式，螺絲固定，但不限于此。散熱鰭片3的材質(zhì)為高導(dǎo)熱材料，可為鋁，不銹鋼，黃銅和紫銅等，但不限于此。模組I同半導(dǎo)體激光器2之間的距離為0.5-1 mm之間。模組I長(zhǎng)度在2-11 mm之間，特別地，5，7和9 mm。兩組裝配好半導(dǎo)體激光器2和一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)I及其熱沉的散熱鰭片3，相向?qū)雍?，通過(guò)側(cè)板6，7，利用固定部件5連接。兩組半導(dǎo)體激光器2通過(guò)半導(dǎo)體激光器連接線8連接。半導(dǎo)體激光器2的組合通過(guò)電源線9，10和外部供電設(shè)備連接。激光器產(chǎn)生的激光束12通過(guò)固定在頂部帶輸出孔的激光器頂板11上面的通光孔輸出，通光孔處有濾波片。半導(dǎo)體激光器泵浦多光束陣列激光器底面置于同平面主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)上，如半導(dǎo)體制冷片，熱管，液體、氣體冷卻板和微通道散熱結(jié)構(gòu)等。一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)I部分采用一體化鰭狀散熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模組熱管理。鰭片部分可通過(guò)放置風(fēng)扇改善散熱效果。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選散熱結(jié)構(gòu)逐一進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說(shuō)明。1.半導(dǎo)體制冷片主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)圖2是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用半導(dǎo)體制冷片主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)。多光束陣列激光器17置于半導(dǎo)體制冷片13制冷面一側(cè)，二者之間采用高導(dǎo)熱介質(zhì)貼合在一起，高導(dǎo)熱介質(zhì)包括導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱膠，銀膠，銦片和焊片等。也可采用螺絲等方法固定。半導(dǎo)體制冷片13的發(fā)熱面同散熱鰭片15通過(guò)高導(dǎo)熱介質(zhì)貼合在一起,高導(dǎo)熱介質(zhì)同上。也可采用螺絲等方法固定。散熱鰭片15的材質(zhì)為高導(dǎo)熱材料，可為鋁，不銹鋼，黃銅和紫銅等，但不限于此。散熱鰭片15下方可放置風(fēng)扇16，以提高散熱效果。半導(dǎo)體制冷片13的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)正、負(fù)兩根導(dǎo)線接入，多光束陣列激光器17的工作溫度反饋通過(guò)溫度傳感器14實(shí)現(xiàn)。多光束陣列激光器17工作時(shí)，溫度傳感器14檢測(cè)到預(yù)先設(shè)定的溫度和實(shí)際多光束陣列激光器17工作溫度差，于是驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)正、負(fù)兩根導(dǎo)線使半導(dǎo)體制冷片13工作，同多光束陣列激光器17貼合的制冷面將多光束陣列激光器17產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱鰭片15上，由風(fēng)扇16產(chǎn)生的風(fēng)流帶走。至此，多光束陣列激光器17在預(yù)先設(shè)定的正常溫度下工作。此結(jié)構(gòu)適合垂直散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.熱管主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)圖3是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用熱管主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)。多光束陣列激光器17通過(guò)高導(dǎo)熱介質(zhì)與熱沉18貼合在一起，高導(dǎo)熱介質(zhì)同上。也可采用螺絲等方法固定。熱沉18，導(dǎo)熱管19，散熱鰭片15和風(fēng)扇16共同構(gòu)成熱管散熱結(jié)構(gòu)。散熱鰭片15材質(zhì)同上。熱沉18和導(dǎo)熱管19材質(zhì)為紫銅，鋁和碳鋼等，但不限于此。多光束陣列激光器17工作時(shí)，其產(chǎn)生的熱量傳遞給熱沉18，內(nèi)置在熱沉18中的導(dǎo)熱管19內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)吸收熱量氣化。此導(dǎo)熱介質(zhì)包括水，氨和Dll等，但不限于此。氣化后的導(dǎo)熱介質(zhì)流動(dòng)到散熱鰭片15—端，散熱后液化流回?zé)岢?8，構(gòu)成散熱循環(huán)。此結(jié)構(gòu)適合激光器放置空間受限，無(wú)法同時(shí)放置大體積散熱結(jié)構(gòu)的情況，設(shè)計(jì)自由度比較大。3.液體、氣體冷卻板主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)圖4是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用液體、氣體冷卻板主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)?！ざ喙馐嚵屑す馄?7通過(guò)高導(dǎo)熱介質(zhì)與熱沉18貼合在一起，高導(dǎo)熱介質(zhì)同上。也可采用螺絲等方法固定。熱沉18材質(zhì)同上。熱沉內(nèi)置液體，氣體管道20，其材質(zhì)為紫銅，鋁和碳鋼等，但不限于此。液體，氣體管道20內(nèi)通導(dǎo)熱介質(zhì)，如水，空氣和制冷劑等，但不限于此。多光束陣列激光器17工作時(shí)，其產(chǎn)生的熱量傳遞給熱沉18，內(nèi)置在熱沉18中的液體，氣體管道20內(nèi)的液體或氣體導(dǎo)熱介質(zhì)以一定的流速流經(jīng)熱沉18，同時(shí)吸收熱量，之后，回流到液體或氣體制冷機(jī)21內(nèi)散熱，形成循環(huán)。此結(jié)構(gòu)適合激光器放置空間受限，無(wú)法同時(shí)放置大體積散熱結(jié)構(gòu)的情況，同時(shí)也適合發(fā)熱量較大的高功率多光束陣列激光器17。4.微通道主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)圖5是一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦的多光束陣列激光器采用微通道主動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)。多光束陣列激光器17通過(guò)高導(dǎo)熱介質(zhì)與微通道散熱片22貼合在一起，高導(dǎo)熱介質(zhì)同上。也可采用螺絲等方法固定。微通道散熱片22其材質(zhì)為紫銅，鋁和碳鋼等，但不限于此。微通道散熱片22內(nèi)通導(dǎo)熱介質(zhì)，如水，空氣和制冷劑等，但不限于此。多光束陣列激光器17工作時(shí)，其產(chǎn)生的熱量傳遞給微通道散熱片22，微通道內(nèi)的液體或氣體導(dǎo)熱介質(zhì)以一定的流速流經(jīng)微通道散熱片22，同時(shí)吸收熱量，之后，回流到液體或氣體制冷機(jī)21內(nèi)散熱，形成循環(huán)。此結(jié)構(gòu)適合激光器放置空間受限，無(wú)法同時(shí)放置大體積散熱結(jié)構(gòu)的情況，同時(shí)也適合發(fā)熱量較大的高功率多光束陣列激光器17。需要說(shuō)明的是，以上附圖及實(shí)施例說(shuō)明僅用以說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器泵浦多光束陣列激光器的結(jié)構(gòu)和熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但非限于此。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所描述的采用周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN) 二次諧波產(chǎn)生(SHG)獲得倍頻綠光的激光器所用的倍頻晶體PPLN，僅為說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，但不限于此，還包括周期極化磷酸鈦氧鉀(PPKTP)，周期極化鉭酸鋰(PPLT)等非線性頻率變換晶體。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所描述的綠光激光器僅為說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，但不限于此，還包括藍(lán)光、黃光、紅光等其他波長(zhǎng)的激光器。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所描述的二次諧波產(chǎn)生過(guò)程僅為說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，但不限于此，還包括和頻產(chǎn)生，差頻產(chǎn)生及其他非線性頻率變換過(guò)程。任何對(duì)本發(fā)明的修改和變通，都不能脫離本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想內(nèi)涵，都應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi) 。
權(quán)利要求1.此多光束陣列激光器包括LD泵浦光源,一體化激光模塊,濾波片和激光器封裝散熱架構(gòu)件，其特征在于，LD泵浦光源是由多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列；一體化激光模塊mGreen模組由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成，每一個(gè)一體化帶腔結(jié)構(gòu)，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊同每一個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列采用同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，所述同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體制冷片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列采用同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，所述同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)為熱管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列采用同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，所述同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)為液體、氣體冷卻板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列采用同平面底板主動(dòng)熱管理結(jié)構(gòu)，如微通道散熱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，采用高轉(zhuǎn)換效率，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊，配合相應(yīng)熱沉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多光束激光器封裝，由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊部分采用一體化鰭狀散熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模組熱管理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，可根據(jù)需要，安排組合數(shù)量，可以設(shè)計(jì)為2X2，2X3，3X3，mXn (m彡2，η彡2)等，組合方式多樣化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束陣列激光器，其特征在于，每一維度的η(η > 2)臺(tái)激光器同時(shí)調(diào)節(jié)，共同達(dá)到最·高，功率，且輸出光束實(shí)現(xiàn)空間平行，無(wú)交匯。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種激光器封裝熱管理結(jié)構(gòu)，一種多光束陣列激光器。該激光器的結(jié)構(gòu)包括LD泵浦光源、由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)及其熱沉、濾波片、激光器封裝熱管理架構(gòu)件。LD泵浦光源包括多個(gè)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光器陣列。每一個(gè)一體化帶腔結(jié)構(gòu),由激光晶體和光學(xué)倍頻晶體構(gòu)成的激光模塊(如mGreen模組)，同每一個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。本專利提出針對(duì)這一多光束陣列激光器的獨(dú)特，新穎熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H01S3/16GK203135207SQ20122062646
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者路洋, 蘇紅平, 徐長(zhǎng)青 申請(qǐng)人:南京長(zhǎng)青激光科技有限責(zé)任公司