專利名稱：大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)，特別涉及一種用于大功率半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。自從超晶格量子阱激光材料發(fā)明以來，隨著實(shí)際工程發(fā)展的需要，半導(dǎo)體激光器的輸出功率也越來越高，發(fā)熱功率密度也較大(達(dá)到 4-6W/mm2)，這就對(duì)冷卻技術(shù)和器件提出了很高的要求?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出的大功率半導(dǎo)體激光器列陣?yán)鋮s效果較好的技術(shù)是美國加州大學(xué)利福莫爾國家實(shí)驗(yàn)室于1992年發(fā)明，并于1996年實(shí)用化的微通道冷卻封裝組件(Modular MicroChannel Cooled Heatsinks)，運(yùn)用它不僅具有很好的冷卻效果，而且能夠?qū)崿F(xiàn)將多個(gè)二極管激光器列陣迭層組裝為面陣以獲得更大功率的半導(dǎo)體激光輸出，于是，微通道冷卻封裝組件也成為了發(fā)展大功率的半導(dǎo)體激光技術(shù)必不可少的關(guān)鍵部件。雖然經(jīng)過多年的應(yīng)用實(shí)踐，微通道冷卻封裝組件也有了不少的改進(jìn)，但基本結(jié)構(gòu)和冷卻方式并無大的改變?，F(xiàn)有技術(shù)中，還出現(xiàn)了一種高功率激光二極管列陣的微通道冷卻封裝組件，應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器具有較好的冷卻效果。上述技術(shù)方案中，對(duì)器件的制作精度要求較高，工藝環(huán)節(jié)多，且較為復(fù)雜，成品率低，提高了制造成本，使得微通道冷卻封裝組件的推廣使用受到了極大的限制；該器件對(duì)所需的制冷系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)也有特殊的要求，必須采用高壓(約0. 5Mpa)純凈水冷卻， 所用的冷卻水還必須預(yù)先制冷，需要一個(gè)體積較大的高壓水冷系統(tǒng)，與半導(dǎo)體激光器體積小的優(yōu)點(diǎn)不相適應(yīng)，影響了使用的方便性。因此，需要對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的制冷系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，具有較大的制冷功率，應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器列陣具有較好的冷卻效果，改變現(xiàn)有技術(shù)中制作精度高、工藝復(fù)雜和體積大、壓力高的缺點(diǎn)，節(jié)約能源，且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用成本低，從而降低半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)的成本，提高半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的提供一種大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，具有較大的制冷功率，應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器列陣具有較好的冷卻效果，改變現(xiàn)有技術(shù)中制作精度高、工藝復(fù)雜和體積大、壓力高的缺點(diǎn)，節(jié)約能源，且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用成本低， 從而降低半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)的成本，提高半導(dǎo)體激光器的使用壽命。本發(fā)明的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，包括按制冷介質(zhì)流程依次連通的制冷壓縮機(jī)、冷凝器和激光器制冷封裝組件；所述激光器制冷封裝組件設(shè)有膨脹腔，所述制冷介質(zhì)在激光器制冷封裝組件的膨脹腔內(nèi)膨脹蒸發(fā)氣化后回至制冷壓縮機(jī)進(jìn)口 ；半導(dǎo)體激光器陣列與膨脹腔外壁導(dǎo)熱連接。進(jìn)一步，所述激光器制冷封裝組件包括至少一片基片緊密疊合形成的基片組和分別位于基片兩側(cè)與基片組緊密疊合的夾持片I和夾持片II，所述基片表面刻蝕膨脹槽和與膨脹槽相通的毛細(xì)槽，所述膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的相鄰基片或者夾持片I封閉分別形成膨脹腔和與膨脹腔相通的毛細(xì)通道，所述毛細(xì)通道與冷凝器出口連通，膨脹腔連通于壓縮機(jī)入口；進(jìn)一步，所述基片設(shè)有用于安裝半導(dǎo)體激光器陣列的沉臺(tái)，所述膨脹槽位于沉臺(tái)背側(cè)，并包容于沉臺(tái)； 進(jìn)一步，所述膨脹腔設(shè)有膨脹腔介質(zhì)出口，毛細(xì)通道設(shè)有毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口，毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口和膨脹腔介質(zhì)出口均為設(shè)于基片上的貫穿孔。進(jìn)一步，所述膨脹腔的尺寸大于或等于半導(dǎo)體激光器陣列的尺寸，所述膨脹腔介質(zhì)出口和膨脹腔用于與毛細(xì)通道連通的介質(zhì)進(jìn)口分別位于膨脹腔沿半導(dǎo)體激光器陣列的兩端；進(jìn)一步，所述夾持片I設(shè)有連通于毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口的進(jìn)口流道，夾持片II設(shè)有與膨脹腔介質(zhì)出口連通的出口流道；進(jìn)一步，所述基片組中的基片為一個(gè)，基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I封閉分別形成膨脹腔和與膨脹腔相通的毛細(xì)通道。進(jìn)一步，基片組中的基片為多個(gè)，位于首端的基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I封閉，其余基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過位于其前側(cè)的相鄰基片緊密貼合封閉，相鄰基片疊合后其毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口相互連通形成介質(zhì)進(jìn)口通道，相鄰基片疊合后其膨脹腔介質(zhì)出口相互連通形成介質(zhì)出口通道。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，采用膨脹制冷技術(shù)，同時(shí)，將膨脹制冷的毛細(xì)管和蒸發(fā)器組件設(shè)置于激光器制冷封裝組件內(nèi)，減小了制冷系統(tǒng)的體積，利于充分發(fā)揮半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢，并具有較大的制冷功率，應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器列陣具有較好的冷卻效果，改變現(xiàn)有技術(shù)中制作精度高、工藝復(fù)雜和體積大、壓力高的缺點(diǎn)，節(jié)約能源；并且不需單獨(dú)的冷卻水預(yù)冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用成本低，從而降低半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)的成本，提高半導(dǎo)體激光器的使用壽命。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為本發(fā)明冷卻系統(tǒng)原理示意圖；圖2為激光器制冷封裝組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為基片平面圖；圖4為多片基片組成的激光器制冷封裝組件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明冷卻系統(tǒng)原理示意圖，圖2為激光器制冷封裝組件結(jié)構(gòu)示意圖，圖3 為基片平面圖，如圖所示本實(shí)施例的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，包括按制冷介質(zhì)流程依次連通的制冷壓縮機(jī)1、冷凝器2和激光器制冷封裝組件5 ；所述激光器制冷封裝組件設(shè)有膨脹腔，所述制冷介質(zhì)在激光器制冷封裝組件的膨脹腔內(nèi)膨脹蒸發(fā)氣化后回至制冷壓縮機(jī)1進(jìn)口 ；半導(dǎo)體激光器陣列6與膨脹腔外壁導(dǎo)熱連接；如圖所示，制冷壓縮機(jī)1通過管道4經(jīng)過冷凝器(風(fēng)冷)、調(diào)節(jié)閥3輸送制冷介質(zhì)進(jìn)入激光器制冷封裝組件5，所述制冷介質(zhì)在激光器制冷封裝組件的膨脹腔內(nèi)膨脹蒸發(fā)氣化后通過管道7回至制冷壓縮機(jī)1進(jìn)口。本實(shí)施例中，所述激光器制冷封裝組件包括至少一片基53緊密疊合形成的基片組和分別位于基片兩側(cè)與基片53組緊密疊合的夾持片I 51和夾持片5211，基片兩側(cè)是指兩平面相對(duì)，形成片與片的疊加貼合；所述基片53表面刻蝕膨脹槽和與膨脹槽相通的毛細(xì)槽，所述膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的相鄰基片或者夾持片I 51封閉分別形成膨脹腔 53a和與膨脹腔53a相通的毛細(xì)通道53b，所述毛細(xì)通道5 與冷凝器2出口連通，膨脹腔 53a連通于壓縮機(jī)1入口 ；在基片上刻蝕出毛細(xì)槽和膨脹槽，并利用緊密疊合形成封閉的毛細(xì)通道和膨脹腔，制作容易，結(jié)構(gòu)簡單，并且不需要較高的精度，達(dá)到密封即可實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。本實(shí)施例中，所述基片53設(shè)有用于安裝半導(dǎo)體激光器陣列的沉臺(tái)53d，所述膨脹槽53a位于沉臺(tái)53d背側(cè)，并包容于沉臺(tái)53d，即膨脹腔53a對(duì)沉臺(tái)53d整體覆蓋，具有針對(duì)性的進(jìn)行冷卻，使激光器陣列達(dá)到充分并均勻冷卻的效果，且方便調(diào)節(jié)制冷溫度，避免浪費(fèi)冷量，節(jié)約能源，。本實(shí)施例中，所述膨脹腔53a設(shè)有膨脹腔介質(zhì)出口 53e，毛細(xì)通道5 設(shè)有毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口 53c，如圖所示，毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口 53c和膨脹腔介質(zhì)出口 5 均為設(shè)于基片53 上的貫穿孔，該結(jié)構(gòu)利于多片基片疊合的結(jié)構(gòu)，具有較簡單實(shí)用、具有較強(qiáng)的通用性和利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。本實(shí)施例中，所述膨脹腔53a的尺寸大于或等于半導(dǎo)體激光器陣列6的尺寸，本實(shí)施例中為略大于；所述膨脹腔53a介質(zhì)出口 5 和膨脹腔用于與毛細(xì)通道連通的介質(zhì)進(jìn)口分別位于膨脹腔沿半導(dǎo)體激光器陣列的兩端；使蒸發(fā)后的介質(zhì)貫穿于冷卻空間，利于充分發(fā)揮介質(zhì)的冷卻效果，并不存在死角，從而使激光器陣列充分均勻冷卻。本實(shí)施例中，所述夾持片I 51設(shè)有連通于毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口 53c的進(jìn)口流道51a， 夾持片1152設(shè)有與膨脹腔介質(zhì)出口 5 連通的出口流道52a ；結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，利于拆卸和安裝。本實(shí)施例中，所述基片組中的基片53為一個(gè)，基片53的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I 51封閉分別形成膨脹腔53a和與膨脹腔53a相通的毛細(xì)通道53b ；適用于只有一個(gè)激光器陣列的情況。圖4為多片基片組成的激光器制冷封裝組件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本實(shí)施例中， 基片組中的基片53為多個(gè)(圖中為14個(gè)，每個(gè)基片的視圖是圖3沿A-A向剖視圖)，位于首端的基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I 51封閉形成與其對(duì)應(yīng)的膨脹腔和毛細(xì)通道，其余基片(除首端基片以外的基片，首端為介質(zhì)進(jìn)入的一端)的膨脹槽和毛細(xì)槽通過位于其前側(cè)的相鄰基片緊密貼合封閉，形成各自的膨脹腔和毛細(xì)通道；如圖所示，基片 53通過位于其前側(cè)的基片緊密疊合后其膨脹槽和毛細(xì)槽形成膨脹腔53a和毛細(xì)通道53b)； 相鄰基片疊合后其膨脹腔介質(zhì)出口相互連通形成介質(zhì)出口通道M，相鄰基片疊合后其毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口相互連通形成介質(zhì)進(jìn)口通道55，介質(zhì)進(jìn)口通道55連通于進(jìn)口流道51a，介質(zhì)出口通道M連通于出口流道52a，使得毛細(xì)通道之間形成并聯(lián)，膨脹腔之間形成并聯(lián)，具有
5均勻的冷卻效果；該結(jié)構(gòu)利于多片基片疊合的結(jié)構(gòu)，具有較簡單實(shí)用、具有較強(qiáng)的通用性和利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特點(diǎn)本結(jié)構(gòu)適用于激光器矩陣的結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于大功率激光器進(jìn)行冷卻的技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā)明采用現(xiàn)有的膨脹制冷原理，并對(duì)激光器制冷封裝組件進(jìn)行改進(jìn)，將膨脹制冷毛細(xì)通道以及膨脹腔(蒸發(fā)器)設(shè)置其內(nèi)，各個(gè)基片之間和基片與夾持片之間采用疊合并壓緊，保證密封效果，并視情況可以使用粘接材料；該膨脹制冷系統(tǒng)可采用自動(dòng)控制原理進(jìn)行冷卻溫度的自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證激光器的工作溫度處于正常狀態(tài)，延長其使用
壽命ο最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于包括按制冷介質(zhì)流程依次連通的制冷壓縮機(jī)、冷凝器和激光器制冷封裝組件；所述激光器制冷封裝組件設(shè)有膨脹腔，所述制冷介質(zhì)在激光器制冷封裝組件的膨脹腔內(nèi)膨脹蒸發(fā)氣化后回至制冷壓縮機(jī)進(jìn)口 ；半導(dǎo)體激光器陣列與膨脹腔外壁導(dǎo)熱連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述激光器制冷封裝組件包括至少一片基片緊密疊合形成的基片組和分別位于基片兩側(cè)與基片組緊密疊合的夾持片I和夾持片II，所述基片表面刻蝕膨脹槽和與膨脹槽相通的毛細(xì)槽，所述膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的相鄰基片或者夾持片I封閉分別形成膨脹腔和與膨脹腔相通的毛細(xì)通道，所述毛細(xì)通道與冷凝器出口連通，膨脹腔連通于壓縮機(jī)入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述基片設(shè)有用于安裝半導(dǎo)體激光器陣列的沉臺(tái)，所述膨脹槽位于沉臺(tái)背側(cè)，并包容于沉臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述膨脹腔設(shè)有膨脹腔介質(zhì)出口，毛細(xì)通道設(shè)有毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口，毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口和膨脹腔介質(zhì)出口均為設(shè)于基片上的貫穿孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述膨脹腔的尺寸大于或等于半導(dǎo)體激光器陣列的尺寸，所述膨脹腔介質(zhì)出口和膨脹腔用于與毛細(xì)通道連通的介質(zhì)進(jìn)口分別位于膨脹腔沿半導(dǎo)體激光器陣列的兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述夾持片I設(shè)有連通于毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口的進(jìn)口流道，夾持片II設(shè)有與膨脹腔介質(zhì)出口連通的出口流道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于所述基片組中的基片為一個(gè)，基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I封閉分別形成膨脹腔和與膨脹腔相通的毛細(xì)通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，其特征在于基片組中的基片為多個(gè)，位于首端的基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過緊密疊合的夾持片I封閉，其余基片的膨脹槽和毛細(xì)槽通過位于其前側(cè)的相鄰基片緊密貼合封閉，相鄰基片疊合后其毛細(xì)通道介質(zhì)進(jìn)口相互連通形成介質(zhì)進(jìn)口通道，相鄰基片疊合后其膨脹腔介質(zhì)出口相互連通形成介質(zhì)出口通道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率半導(dǎo)體激光器膨脹制冷系統(tǒng)，包括按制冷介質(zhì)流程依次連通的制冷壓縮機(jī)、冷凝器和激光器制冷封裝組件；激光器制冷封裝組件設(shè)有膨脹腔，制冷介質(zhì)在激光器制冷封裝組件的膨脹腔內(nèi)膨脹蒸發(fā)氣化后回至制冷壓縮機(jī)進(jìn)口；半導(dǎo)體激光器陣列與膨脹腔外壁導(dǎo)熱連接，本發(fā)明將膨脹制冷的毛細(xì)管和蒸發(fā)器組件設(shè)置于激光器制冷封裝組件內(nèi)，具有較大的制冷功率，應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器列陣具有較好的冷卻效果，改變現(xiàn)有技術(shù)中制作精度高、工藝復(fù)雜和體積大、壓力高的缺點(diǎn)，節(jié)約能源；不需單獨(dú)的冷卻水預(yù)冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用成本低，從而降低半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)的成本，提高半導(dǎo)體激光器的使用壽命。
文檔編號(hào)H01S5/024GK102354906SQ20111027819
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者張鵬, 梁一平, 范嗣強(qiáng) 申請(qǐng)人:重慶師范大學(xué)