一種高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法。本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊由多個側(cè)泵浦單元模塊組成，側(cè)泵浦單元模塊的結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外依次的構(gòu)成為：棒狀激光介質(zhì)、冷卻通道、玻璃管、呈正多邊形分布的次封裝組、內(nèi)密封槽、冷卻通道、外密封槽、裝配孔，次封裝組通過次封裝的次熱沉之間的電連接焊接而成，并通過在側(cè)泵浦單元模塊基座上開孔將次封裝組的正負(fù)電極引出。本發(fā)明有效降低了工作過程中激光晶體的熱應(yīng)力，提高了泵浦效率；封裝結(jié)構(gòu)簡單，適用于大電流工作。
【專利說明】一種高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，具體涉及一種高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、可靠性高等特點，在光纖通訊、光盤系統(tǒng)以其它信息處理方面的得到了廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著高功率二極管激光芯片制造工藝成熟和封裝技術(shù)迅速發(fā)展，使其在材料加工、醫(yī)療、生物、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。
[0003]由于閃光燈的光譜比激光晶體的吸收帶寬寬的多，晶體只能吸收很少的輻射能量，因此，閃光燈的泵浦效率相對較低。高功率二極管激光器對帶寬較窄，并且波長具有選擇性，可大幅度提高泵浦光的轉(zhuǎn)換效率，目前，高功率二極管激光器已逐漸代替閃光燈泵浦，作為固體激光器高效泵浦源。但是，在泵浦棒狀激光介質(zhì)模塊中，由于大功率二極管激光器對散熱要求較高，在專利號為02110983.4、名稱為線陣結(jié)構(gòu)的大功率二極管激光器的專利中無冷卻結(jié)構(gòu)，只能在低占空比下工作，在專利號為CN 1674372A、名稱為多邊形大功率二極管激光器疊層陣列模塊專利中，每邊由多個二極管激光器組成疊層陣列泵浦，其外部冷卻器的散熱能力和疊陣的封裝間距成反比，無法同時兼顧高平均功率泵浦和高效的泵浦兩個方面，并且次封裝由多層結(jié)構(gòu)組成，芯片距離冷卻器較遠(yuǎn)，同樣存在高平均功率工作時的散熱問題，無法在高占空比(占空比大于10%)或連續(xù)狀態(tài)下工作的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有泵浦模塊技術(shù)上存在的散熱效果差、無法在高占空比或連續(xù)狀態(tài)下工作的缺點，提供一種正N邊形的用于高占空比或連續(xù)工作體制的棒介質(zhì)的高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法。它可以提供高平均功率、高效的泵浦，具有高的泵浦效率、均勻的熒光分布、可在高占空比和連續(xù)狀態(tài)下工作、耐壓能力強以及可靠性高等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊由多個側(cè)泵浦單元模塊組成，側(cè)泵浦單元模塊的結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外依次的構(gòu)成為:棒狀激光介質(zhì)、冷卻通道、玻璃管、呈正多邊形分布的次封裝組、內(nèi)密封槽、冷卻通道、外密封槽、裝配孔，次封裝組通過次封裝的次熱沉之間的電連接焊接而成，并通過在側(cè)泵浦單元模塊基座上開孔將次封裝組的正負(fù)電極引出。
[0006]高平均功率二極管泵浦激光模塊中的次封裝由二極管激光器、次熱沉A、熱沉B和絕緣陶瓷組成，二極管激光器焊接在次熱沉之間，絕緣陶瓷焊接在次熱沉的底部。
[0007]側(cè)泵浦單元模塊中的冷卻通道的結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀圓孔通道結(jié)構(gòu)。
[0008]棒狀激光介質(zhì)的冷卻液與二極管激光器的冷卻液采用串連結(jié)構(gòu)。
[0009]次熱沉A、熱沉B的材料為導(dǎo)熱性良好的材料，絕緣陶瓷片為導(dǎo)熱性良好的絕緣材料。
[0010]本發(fā)明的用于高平均功率二極管泵浦激光模塊的制備方法，依次包括如下步驟:a.將二極管激光器21焊接在次熱沉A22、次熱沉B23上，再將次熱沉A22、次熱沉B23的底部焊接在絕緣陶瓷24上，制成次封裝20 ；
b.將焊接好的次封裝20進行性能測試和老化考核；
c.將經(jīng)過老化考核的次封裝20根據(jù)測試的波長和功率進行排列，使每一圈的二極管激光器21性能參數(shù)基本相同；
d.將排列好的次封裝20依次安裝到側(cè)泵浦單元模塊30的正多邊形的各邊上，并在絕緣陶瓷24的底部涂抹焊料，然后在各次封裝20之間的三角形空隙中注入焊料；
e.放入回流焊爐中進行一次性焊接；
f.將焊接好的所有側(cè)泵浦單元模塊30組裝，并把棒狀激光介質(zhì)I安裝到模塊中間，構(gòu)成了完整的激光泵浦模塊。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的明顯優(yōu)勢:
由于本發(fā)明采用正多邊形的均勻泵浦結(jié)構(gòu)形式，因此可實現(xiàn)多個二極管激光器的發(fā)射光譜對棒狀晶體的均勻泵浦，有效降低了工作過程中激光晶體的熱應(yīng)力，提高了泵浦效率；與嵌入式次封裝結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的次封裝結(jié)構(gòu)簡單，裝配精度要求低，容易實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，通過材料選擇，可有效降低熱阻；由于次封裝之間的電連接采用一次性焊接方式，可適用于大電流工作，增強了連接的可靠性；本發(fā)明中次封裝由高熱導(dǎo)率的次熱沉和絕緣導(dǎo)熱陶瓷構(gòu)成，有效降低了封裝工藝難度；本發(fā)明的冷卻器內(nèi)部正多邊形邊界之間設(shè)計了阻隔槽，提高了泵浦模塊的整體可靠性和成品率；側(cè)泵浦單元模塊之間采用電串連、水串連的整體結(jié)構(gòu)，每個次封 裝和每個側(cè)泵浦單元模塊都可簡單更換。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊的次封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1.棒狀激光介質(zhì) 2.冷卻通道I 4.電連接 6.阻隔槽 7.冷卻通道II 8.內(nèi)密封槽 9.外密封槽 10.裝配孔 11.正負(fù)電極 12.玻璃管20.次封裝21.二極管激光器22.次熱沉A 23.次熱沉B
24.絕緣陶瓷 30.側(cè)泵浦單元模塊 40.前端頭 41.后端頭。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的高平均功率二極管泵浦激光模塊及其制備方法進行詳細(xì)描述。
[0014]在圖1中，側(cè)泵浦模塊由多個側(cè)泵浦單元模塊30組成，側(cè)泵浦單元模塊夾在前端頭40、后端頭41之間，側(cè)泵浦單元模塊通過螺釘固接在一起，冷卻液的進口和出口設(shè)置在如立而頭40或后2而頭41上。
[0015]使用過程中，冷卻激光介質(zhì)的冷卻液和二極管激光器的冷卻液采用串連形式。
[0016]在圖2中，側(cè)泵浦單元模塊結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外的構(gòu)成為:棒狀激光介質(zhì)1、冷卻通道I 2、玻璃管12、呈正多邊形分布的次封裝組、內(nèi)密封槽8、冷卻通道II 7、外密封槽9、裝配孔
10。次封裝組通過次封裝20的次熱沉之間的電連接4焊接而成，在次封裝的絕緣陶瓷之間設(shè)有阻隔槽6。通過在側(cè)泵浦單元模炔基座上開孔將次封裝組的正負(fù)電極11引出。
[0017]次封裝20的結(jié)構(gòu)如圖3所示，次封裝20由二極管激光器21、次熱沉A22、次熱沉B 23和絕緣陶瓷24組成，二極管激光器21焊接在次熱沉A 22和次熱沉B 23之間，絕緣陶瓷24焊接在次熱沉A 22和次熱沉B 23的底部。
[0018]本發(fā)明的工作原理是:所有模塊之間的電連接采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，工作時，將驅(qū)動電源輸出線與正負(fù)電極11相連，然后通過給二極管激光器21施加電流，使二極管激光器21發(fā)射激光泵浦棒狀激光介質(zhì)I。工作中所產(chǎn)生的熱量通過冷卻液通道7帶走，起到散熱作用。
[0019]本發(fā)明中二極管激光器次封裝結(jié)構(gòu)與國外報道的利用BeO陶瓷熱沉結(jié)構(gòu)的次封裝相比，克服了國外在刻槽BeO上高精度芯片安裝要求和高精度加工要求的缺點，芯片安裝簡單，成品合格率較高，成本較低，有利于批量生產(chǎn)。側(cè)泵浦模塊的次封裝的數(shù)量可根據(jù)激光介質(zhì)棒的直徑和單位長度上的泵浦功率決定，該發(fā)明可適用于3邊到11邊測泵浦模塊，可設(shè)計為泵浦2_以上的激光介質(zhì)棒。
[0020]本發(fā)明的制備過程為:
利用熔點較高的焊料將二極管激光器芯片21焊接在次熱沉A 22、次熱沉B 23和絕緣陶瓷片24上，次熱沉A 22和次熱沉B 23的材料選擇導(dǎo)熱性較好的材料(如無氧銅、金剛石、鎢銅合金等)，絕緣陶瓷片24同樣選擇導(dǎo)熱性較好的絕緣材料(如氧化鈹、氮化鋁等)。
[0021]將焊接好的次封裝進行性能測試和老化考核。
[0022]將經(jīng)過老化考核的次封裝根據(jù)測試的波長和功率進行排列，使每一圈的二極管激光器性能參數(shù)基本相同。
[0023]將排列好的次封裝依次安裝到正多邊形的各邊上，并在陶瓷底部涂抹低溫焊料，利用夾具將各次封裝固定，然后在各次封裝單元之間的三角形空隙中注入低溫焊料。
`[0024]將整個模塊放入回流焊爐中進行一次性焊接，將焊接好的所有模塊組裝，并把晶體棒安裝到模塊中間，構(gòu)成了完整的一體化激光泵浦模塊。
[0025]正多邊的測泵浦單元模塊冷卻通道II 7的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成網(wǎng)狀圓孔通道結(jié)構(gòu)，冷卻效率高，可實現(xiàn)占空比20%準(zhǔn)連續(xù)150W 二極管激光器單元的封裝或連續(xù)40W 二極管激光器單元的封裝。該泵浦模塊對于(610的Nd:YAG激光介質(zhì)，占空比15%情況，小信號增益系數(shù)達(dá)到0.15cm —、
[0026]使用過程中，冷卻激光介質(zhì)的冷卻液和二極管激光器的冷卻液采用串連形式。
【權(quán)利要求】
1.一種高平均功率二極管泵浦激光模塊，包括多個側(cè)泵浦單元模塊(30)，其特征在于:側(cè)泵浦單元模塊(30)的結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外的構(gòu)成為:棒狀激光介質(zhì)(I)、冷卻通道(2)、玻璃管(12)、呈正多邊形分布的次封裝組、內(nèi)密封槽(8)、冷卻通道(7)、外密封槽(9)、裝配孔(10);次封裝組通過每個次封裝(20)的次熱沉之間的電連接(4)焊接而成，并通過在側(cè)泵浦單元模塊(30)的基座上開孔將次封裝組的正負(fù)電極(11)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊，其特征在于:所述的次封裝(20)由二極管激光器(21)、次熱沉A (22)、次熱沉B (23)和絕緣陶瓷(24)組成，二極管激光器(21)焊接在次熱沉A (22)和次熱沉B (23)之間，絕緣陶瓷(24)焊接在次熱沉A(22)、次熱沉B (23)的底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊，其特征在于:在次封裝(20)中的絕緣陶瓷(24)之間設(shè)有避免焊料溢出后使二極管激光器(21)與側(cè)泵浦單元模塊(30)的基座相導(dǎo)通的焊料阻隔槽(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊，其特征在于:所述側(cè)泵浦單元模塊(30)中的冷卻通道(7)的結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀圓孔通道結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊，其特征在于:所述棒狀激光介質(zhì)(I)的冷卻液與二極管激光器(21)的冷卻液采用串連結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊，其特征在于:所述次熱沉A(22),次熱沉B (23)的材料為導(dǎo)熱性良好的材料，絕緣陶瓷片(24)為導(dǎo)熱性良好的絕緣材料。
7.—種權(quán)利要求1所述的高平均功率二極管泵浦激光模塊的制備方法，其特征在于:依次包括如下步驟: a.將二極管激光器(21)焊接在次熱沉A(22)、次熱沉B (23)上，再將次熱沉A (22)、次熱沉B (23)的底部焊接在絕緣陶瓷(24)上，制成次封裝(20)； b.將焊接好的次封裝(20)進行性能測試和老化考核； c.將經(jīng)過老化考核的次封裝(20)根據(jù)測試的波長和功率進行排列，使每一圈的二極管激光器(21)性能參數(shù)基本相同； d.將排列好的次封裝(20)依次安裝到側(cè)泵浦單元模塊(30)的正多邊形的各邊上，并在絕緣陶瓷(24)的底部涂抹焊料，然后在各次封裝(20)之間的三角形空隙中注入焊料； e.放入回流焊爐中進行一次性焊接； f.將焊接好的所有側(cè)泵浦單元模塊(30)組裝，并把棒狀激光介質(zhì)(I)安裝到模塊中間，構(gòu)成了完整的激光泵浦模塊。
【文檔編號】H01S5/024GK103779782SQ201410007183
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】范國濱, 張凱, 高松信, 唐淳, 雷軍, 武德勇, 石勇 申請人:中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所