(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結プレートおよび液体冷却プレートを含み、前記連結プレートおよび液体冷却プレートの中央部に固定孔が垂直開設され、前記固定孔の両側にそれぞれ入液孔および出液孔が設けられ、前記液体冷却プレートの入液孔内に放熱フィンが設けられ、前記液体冷却プレートの冷却モジュール入液孔に近い一端に、段差が加工されて、チップ実装領域が設けられ、前記液体冷却プレートのチップ実装領域にヒートシンクおよびチップが設けられ、ヒートシンクとチップとの正極面が接合し、前記チップの負極面と前記連結プレートとが接合し、前記連結プレートと液体冷却プレートとの間にさらに絶縁プレートが設けられており、前記液体冷却プレートの放熱フィンが、入液貫通孔内に固定される若干の金属プレートまたはハニカム状液体冷却プレートであり、前記液体冷却プレートの入液孔および出液孔に、その直径よりも大きい座繰り孔を設置して、該座繰り孔にシールリングを設置してあることを特徴とするレーザ用冷却モジュール。
【請求項２】
前記液体冷却プレートが厚さ１．６ｍｍの金属、セラミック、ダイヤモンドまたは銅およびダイヤモンドの複合材料で作成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ用冷却モジュール。
【請求項３】
前記固定孔の直径が３．５ｍｍであり、前記入液孔の直径が５．５ｍｍであり、前記出液孔の直径が５．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ用冷却モジュール。
【請求項４】
１）先ず液体冷却プレートを加工し、矩形プレートを加工するとともに、その表面を研磨し、その上に固定孔および出液孔を作成するステップと、
２）液体冷却プレートに入液孔および放熱フィンを加工し、液体冷却プレートの入液孔に近い一端にチップ実装領域を予め保留するステップと、
３）出液孔および入液孔上端に座繰り孔を加工し、液体冷却プレートの作成を完成するステップと、
４）液体冷却プレートを洗浄、乾燥した後に、侵食を防ぐために電気メッキ処理を行うステップと、
５）プレート接合技術を採用しハードソルダーによりチップの正極をヒートシンクに溶接して、リフロー半田付け技術でヒートシンク、チップおよび絶縁プレートと、マイクロ液体冷却プレートおよび銅連結プレートとを溶接し、液体冷却プレートのチップ実装領域に段差がない場合には、ソフトソルダーを採用してチップと液体冷却プレートを連結するステップと
を含むことを特徴とするレーザ用冷却モジュールの製造方法。
【請求項５】
チップ付き冷却モジュール、上液体冷却ブロック、正極連結プレート、連結プレート固定プレートおよび下液体冷却ブロックを含み、前記下液体冷却ブロック、冷却モジュールおよび上液体冷却ブロックが順次下から上へ積層して一体に連結され、前記下液体冷却ブロックの上端面の一側には段差が設けられ、前記段差には出液孔を備えた正極連結プレートと出液孔を備えた連結プレート固定プレートとが設けられ、前記下液体冷却ブロックには、前記冷却モジュールの固定孔、入液孔および出液孔に対応してそれぞれ下冷却ブロック固定孔、下冷却ブロック入液貫通孔および下冷却ブロック出液貫通孔が設けられ、前記上液体冷却ブロックには、前記冷却ブロックの固定孔、入液孔および出液孔に対応してそれぞれ固定ネジ孔、上冷却ブロック入液孔および上冷却ブロック出液孔、並びに前記上冷却ブロック入液孔と上冷却ブロック出液孔とを連通する連通孔が設けられ、前記冷却モジュールと前記上下両側の上液体冷却ブロックおよび下液体冷却ブロックが一つのボルトで前記下液体冷却ブロックおよび冷却モジュールの固定貫通孔を貫通し、前記上液体冷却ブロックのネジ孔に締結して一体となり、前記下冷却ブロック入液貫通孔、冷却モジュールの入液孔および上冷却モジュール入液孔が入液チャネルを構成し、前記上冷却モジュール出液孔、冷却モジュール出液孔、正極連結プレートおよび連結プレート固定プレートの出液孔および下冷却モジュール出液貫通孔が出液チャネルを構成することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ用冷却モジュールを使用したシングルバー半導体レーザ。
【請求項６】
前記下液体冷却ブロックの入液貫通孔が下部入液孔、中部過渡階段孔および上端拡張孔からなり、前記上端拡張孔の孔口にシールリングが設けられていることを特徴とする請求項５に記載のシングルバー半導体レーザ。
【請求項７】
下液体冷却ブロック、正極連結プレート、負極連結プレート、上液体冷却ブロック、二つ以上の並列の固定孔、入液孔、出液孔およびチップが設けられた冷却モジュールを含み、前記下液体冷却ブロック内には下液体冷却ブロック水平入液孔および下液体冷却ブロック水平出液孔が設けられ、前記下液体冷却ブロックの上端面には２セット以上の入出液孔が設けられ、前記入出液孔がセット毎に一つの垂直入液孔および一つの垂直出液孔を含み、前記下液体冷却ブロック上の垂直入液孔の上端開口にシンクスロットが設けられ、前記垂直入液孔と下液体冷却ブロック水平入液孔が連通し、前記垂直出液孔と下液体冷却ブロック水平出液孔が連通し、前記２セット以上の、入液孔および出液孔が設けられた冷却モジュールは前記下液体冷却ブロック上端面のセット毎の入出液孔に対応して並列設置され、且つ各冷却モジュールの冷却モジュール入液孔および冷却モジュール出液孔はそれぞれ下液体冷却ブロック上のセット毎の入出液孔の垂直入液孔および垂直出液孔に連通し、各冷却モジュールと下液体冷却ブロックの間にはいずれも正極連結プレートが設けられ、各冷却モジュールの上面にはいずれも負極連結プレートが設けられ、前記負極連結プレートには前記上液体冷却ブロックが設置され、前記負極連結プレートには冷却モジュール中央部の固定孔に対応してボルト貫通孔が設けられ、前記下液体冷却ブロックには前記各冷却モジュールの固定孔に対応して１セットの垂直のボルト貫通孔が設けられ、前記上液体冷却ブロック内には液戻り連通孔が設けられ、上液体冷却ブロックの下端面には上液体冷却ブロック入液孔および上液体冷却ブロック出液孔が設けられ、上液体冷却ブロック入液孔および上液体冷却ブロック出液孔は液戻り連通孔に連通し、上液体冷却ブロックの下端面には、さらに固定ネジ孔が設けられ、前記下液体冷却ブロック、冷却モジュールおよび負極連結プレートはボルトにより前記上液体冷却ブロックに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ用冷却モジュールを使用した水平アレイ式半導体レーザ。
【請求項８】
前記それぞれ各冷却モジュール上下両側に設置される負極連結プレートと正極連結プレートとはいずれも下液体冷却ブロックに絶縁固定され、その中で各ブロックの冷却モジュールの負極連結プレートが隣接する冷却モジュールの正極連結プレートに連結され、各冷却モジュール上下側のセット毎の負極連結プレートおよび正極連結プレートが電気的に直列接続するようにし、前記負極連結プレートが負極タブにより引き出され、前記正極連結プレートが正極タブにより引き出されることを特徴とする請求項７に記載の水平アレイ式半導体レーザ。
【請求項９】
前記下液体冷却ブロックの垂直入液孔の上端開口に拡大した長円形シンクスロットが設けられ、前記シンクスロットに防液シールリングが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の水平アレイ式半導体レーザ。
【請求項１０】
下から上へ順次積層する下底板、正極ブロック、複数バー直列モジュール群、負極ブロック、上圧ブロックおよび液体冷却ブロックを含み、その中で、前記複数バー直列モジュール群が、複数のチップ付きの、入液孔および出液孔が設けられた冷却モジュールにより順次垂直積層してなり、前記冷却モジュールの入液孔および出液孔が前記複数バー直列モジュール群の入液チャネルおよび出液チャネルを構成し、前記正極ブロックには正極ブロック入液孔および正極ブロック出液孔が設けられ、前記負極ブロックには対応的に負極ブロック入液孔および負極ブロック出液孔が設置され、前記上圧ブロックには入液貫通孔および出液貫通孔が設けられ、前記液体冷却ブロックには液体冷却ブロック入液孔および液体冷却ブロック出液孔が設けられ、前記正極ブロック入液孔、入液チャネル、負極ブロック入液孔、入液貫通孔および液体冷却ブロック入液孔が順次連通し、前記正極ブロック出液孔、出液貫通孔、負極ブロック出液孔、出液貫通孔および液体冷却ブロック出液孔が順次連通し、前記下底板には対応的に下底板入液孔および下底板出液孔が設置され、前記下底板両側に側板が設けられ、前記正極ブロック、複数バー直列モジュール群および負極ブロックが順次積層実装された後に下底板の両側板の間に設置され、前記上圧ブロックが負極ブロックの上側に設けられるとともに下底板の両側板上端に固定連結し、前記上圧ブロック上側面には液体冷却ブロックが固定連結され、前記液体冷却ブロック内には導通孔が設置され、前記液体冷却ブロック入液孔と液体冷却ブロック出液孔の一端が導通孔を介して連通し、もう一端がそれぞれ上圧ブロックの入液貫通孔および出液貫通孔に連結し、前記下底板、正極ブロック、複数バー直列モジュール群、負極ブロックおよび上圧ブロックが中心貫通スクリューを介して積層アレイ形式で一体に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ用冷却モジュールを使用した積層アレイ式半導体レーザ。
【請求項１１】
前記下底板の両側板の、発光面から遠い側にＨ型後板が固定連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の積層アレイ式半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ、特に液体冷却半導体レーザを製造するための冷却モジュール、製造方法および該モジュールで製造した半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザはレーザダイオード（ＬＤ）とも称される。８０年代に入り、半導体物理の発展の最新成果を吸収して、量子井戸（ＱＷ）および歪量子井戸（ＳＬ−ＱＷ）等の新規的構造を採用し、屈折率変調Ｂｒａｇｇエミッタおよび強化変調Ｂｒａｇｇエミッタの最新技術を導入し、さらに同時に、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤおよびＣＢＥ等の結晶成長技術の新技術が発展していることにより、新しいエピタキシャル成長技術が結晶の成長を正確に制御できるようになり、原子層厚みの精度に達し、優れた量子井戸および歪量子井戸材料を成長できる。そこで、製造されたＬＤは、閾値電流が著しく低下し、転換効率が大幅に向上し、出力効率が倍増し、使用寿命も著しく長くなった。半導体レーザ性能の安定性、転換効率および出力電力の不断の向上に伴い、ハイパワー半導体レーザは工業、医療および軍事においてより広く応用され、市場ニーズが巨大であり、発展前途もさらに広がる。
【０００３】
レーザ応用分野の不断且つ急速な発展に伴い、各分野の半導体レーザへの要求もますます高まり、よって、ハイパワー半導体レーザは出力光電力、転換効率、信頼性および性能安定性において更に向上する必要がある。レーザの性能は、チップとの関連以外に、さらにレーザの放熱およびパッケージにも関連する。レーザの信頼性および性能安定性を向上させ、生産コストを下げるために、信頼性が高いパッケージ構造および高効率の放熱構造を設計すると同時に、簡単・低コストも配慮に入れて設計する原則は半導体レーザの設計生産において追求すべきものである。
【０００４】
現在、ハイパワーシングルアレイ式半導体レーザは、熱伝導冷却型(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))と、マイクロチャネル液体冷却型(Rushikesh M. Patel,David K. Wagner, Allen D. Danner, Kam Fallahpour, Richard S. Stinnett, “Use of micro-channel cooling for high-power two-dimensional laser diode arrays”, SPIE,vol.634:466-474 (1992) )との二種のパッケージ形式がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０２／０６５５９５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱伝導冷却型では、連続波モードで作動する大ブロックヒートシンクについて受動的放熱方式を採用することから、レーザの温度上昇が生じやすく、これによりレーザの波長ドリフトを引き起こし、寿命および信頼性が低下し、従って、その出力電力は一般的に数十ワットしかなく、受動的放熱方式であるがゆえに、半導体レーザの電力を数十ワットから数百ワットまで拡大することは非常に困難である。
【０００７】
マイクロチャネル液体冷却型は現在既に商業化生産されており、それは能動的放熱を採用し、放熱能力が強力で、レーザの電力が大幅に向上されるものの、以下のような欠点が依然として存在する。
【０００８】
１．使用および維持コストが高い。マイクロチャネル液体冷却器は、正負極導通を防止するために脱イオン液を冷却液として使用する必要がある。且つ使用時に、脱イオン液の低電気伝導率を保持する必要があり、従って使用および維持のコストは非常に高い。
【０００９】
２．加工難度が高い。マイクロチャネル液体冷却器は、通常、数層の非常に薄い銅片層を積層して加工成形され、内部のマイクロチャネルが約３００μｍであり、製造過程において、積層後のマイクロチャネルが液体通過時に放熱能力の高い乱流を形成するために、銅片一層ごとに精確な加工を行う必要がある。従って、マイクロチャネル冷却器の精確な加工は難点の一つである。
【００１０】
３．製造コストが高い。マイクロチャネル冷却器の精密加工が非常に難しいので、その製造コストも非常に高いものである。
【００１１】
４．使用寿命が短い。レーザの作動過程において、もし冷却媒体（通常は脱イオン液）に不純物が存在する場合、これらの不純物はマイクロチャネル内壁に容易に付着する。一方では、これらの不純物顆粒がマイクロチャネル冷却器の液体チャネルを閉塞させて冷却効果を低下する可能性があり、これにより比較的深刻な熱集中を引き起こし、レーザ出力波長にドリフト、スペクトルの拡大、性能信頼性および寿命の短縮を引き起こし、深刻な場合にはレーザの破壊を起こしてしまう。もう一方で、これらの不純物顆粒がマイクロチャネル管壁の電気化学的腐食を引き起こし、深刻な場合にはマイクロチャネル冷却器の管壁を腐食貫通し、レーザの安全性に極めて大きな影響を及ぼす。これらはいずれもレーザの使用寿命に深く影響する。
【００１２】
５．密封への要求が高い。マイクロチャネル冷却器における冷却媒体の流動空間は非常に狭く、従って余分な圧力低下を発生しやすく、冷却媒体の流動抵抗が大きく、密封が困難である。
【００１３】
ここからわかるように、前記従来の液体冷却レーザは構造、製造および使用において、依然として不便と不足が存在することが明らかであり、さらに改良していく必要がある。液体冷却レーザに存在する前記課題を解決するために、関連業者は思案をめぐらし解決の道を模索しているが、しかしながら長らく好適な設計が出現せず、これは明らかに関連業者の早急に解決したい問題である。従って、実用且つ維持に便利で、構造が簡単で、製造コストの低い液体冷却レーザおよびその製造方法を如何に創出するかは実に目下、重要な研究開発課題の一つであり、また、目下業界で早急に改良すべき目標でもある。
【００１４】
前記従来の液体冷却レーザに存在する不備に鑑み、本発明者はこの製品の設計製造に従事してきた多年の豊富な実務経験および専門知識に基づいて、一般の従来の液体冷却レーザを改良して、より実用性のある新型構造の液体冷却レーザを創出するために、学理の運用を併せて積極的に研究革新を行った。不断の研究、設計を経て、サンプルの繰り返し試作と改善の後に、ついに実用価値を確実に備える本発明は創出された。
【００１５】
本発明の主な目的は、従来の液体冷却レーザに存在する不備を解消し、液体冷却レーザに用いられる新型構造のレーザ用冷却モジュール、製造方法および該モジュールで製造された半導体レーザを提供することであり、解決しようとする技術課題は、このような半導体レーザが使用電力要求を満たす条件の下、コストを下げ、熱抵抗を減らし、同時に冷却媒体圧力低下が大きすぎる難点を解消し、ビーム品質を満足する前提でレーザの高出力電力を保証することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の目的および技術課題の解決は、以下の技術内容を採用して実現する。
本発明が提起するレーザ用冷却モジュールに基づけば、それは連結プレートおよび液体冷却プレートを含み、前記連結プレートおよび液体冷却プレートの中央部に固定孔が垂直開設され、固定孔の両側にはそれぞれ入液孔および出液孔が設けられ、前記液体冷却プレートの入液孔内には放熱フィンが設けられ、前記液体冷却プレートの冷却モジュール入液孔に近い一端にはチップ実装領域が設けられ、前記液体冷却プレートのチップ実装領域にはヒートシンクおよびチップが設けられ、ヒートシンクとチップの正極面は接合し、前記チップの負極面と前記連結プレートとは接合し、前記連結プレートと液体冷却プレートとの間にはさらに絶縁プレートが設けられている。
【００１７】
本発明が提供するレーザ用冷却モジュールは、さらに以下の技術方策を採用して実現可能である。
【００１８】
前記レーザ用冷却モジュールでは、前記液体冷却プレートが厚み１．６ｍｍの金属、セラミック、ダイヤモンドまたは銅とダイヤモンドの複合材料で製造される。
【００１９】
前記レーザ用冷却モジュールでは、前記固定貫通孔の直径が３．５ｍｍであり、前記入液貫通孔の直径は５．５ｍｍであり、前記出液貫通孔の直径は５．５ｍｍである。
【００２０】
前記レーザ用冷却モジュールでは、前記液体冷却プレートの放熱フィンが入液通孔内に固定される若干の金属プレートまたはハニカム状液体冷却プレートである。
【００２１】
本発明はさらに、前記レーザ用冷却モジュールの製造方法を提供し、以下のステップを含む。
【００２２】
１）先ず液体冷却プレートを加工し、矩形プレートを加工するとともに、その表面を研磨し、その上に固定孔および出液孔を作成する。
【００２３】
２）液体冷却プレートに入液孔および放熱フィンを加工し、液体冷却プレートの入液孔に近い一端にチップ実装領域を予め保留する。
【００２４】
３）出液孔および入液孔上端に座繰り孔を加工し、液体冷却プレートの作成を完成する。
【００２５】
４）液体冷却プレートを洗浄、乾燥した後に、侵食を防ぐために電気メッキ処理を行う。
【００２６】
５）プレート接合技術を採用しハードソルダーによりチップの正極をヒートシンクに溶接して、リフロー半田付け技術でヒートシンク、チップおよび絶縁プレートと、マイクロ液体冷却プレートおよび銅連結プレートとを溶接し、液体冷却プレートのチップ実装領域に段差がない場合には、ソフトソルダーを採用してチップと液体冷却プレートとを連結する。
【００２７】
本発明がさらに提起する前記冷却モジュールを使用したシングルバー半導体レーザは、チップ付き冷却モジュール、上液体冷却ブロック、正極連結プレート、連結プレート固定プレート、下液体冷却ブロックを含み、その中で、前記下液体冷却ブロック、冷却モジュールおよび上液体冷却ブロックが順次下から上へ積層して一体に連結され、前記下液体冷却ブロックの上端面の一側には段差が設けられ、段差には出液孔を備えた正極連結プレートと出液孔を備えた連結プレート固定プレートとが設けられている。前記下液体冷却ブロックには、前記冷却モジュールの固定孔、入液孔および出液孔に対応してそれぞれ下冷却ブロック固定孔、下冷却ブロック入液貫通孔および下冷却ブロック出液貫通孔が設けられ、前記上液体冷却ブロックには、前記冷却モジュールの固定孔、入液孔および出液孔に対応してそれぞれ固定ネジ孔、上冷却ブロック入液孔および上冷却ブロック出液孔、並びに前記上冷却ブロック入液孔と上冷却ブロック出液孔とを連通する連通孔が設けられている。前記冷却モジュールと、前記上下両側の上液体冷却ブロックおよび下液体冷却ブロックとは一つのボルトで前記下液体冷却ブロックおよび冷却モジュールの固定貫通孔を貫通し、前記上液体冷却ブロックのネジ孔に締結して一体となる。前記下冷却ブロック入液貫通孔、冷却モジュールの入液孔および上冷却モジュール入液孔は、入液チャネルを構成する。前記上冷却モジュール出液孔、冷却モジュール出液孔、正極連結プレートおよび連結プレート固定プレートの出液孔および下冷却モジュール出液貫通孔は出液チャネルを構成する。
【００２８】
前記シングルバー半導体レーザでは、前記下液体冷却ブロックの入液貫通孔が下部入液孔、中部過渡階段孔および上端拡張孔からなり、前記上端拡張孔の孔口にシールリングが設けられている。
【００２９】
本発明がさらに提起する前記冷却モジュールを使用した水平アレイ式半導体レーザは、下液体冷却ブロック、正極連結プレート、負極連結プレート、上液体冷却ブロック、二つ以上の並列の固定孔、入液孔、出液孔およびチップが設けられた冷却モジュールを含み、その中で、前記下液体冷却ブロック内には下液体冷却ブロック水平入液孔および下液体冷却ブロック水平出液孔が設けられ、前記下液体冷却ブロックの上端面には２セット以上の入出液孔が設けられ、前記入出液孔がセット毎に一つの垂直入液孔および一つの垂直出液孔を含み、前記垂直入液孔と下液体冷却ブロック水平入液孔とが連通し、前記垂直出液孔と下液体冷却ブロック水平出液孔とが連通し、前記２セット以上の、入液孔および出液孔が設けられた冷却モジュールは前記下液体冷却ブロック上端面上のセット毎の入出液孔に対応して並列設置され、且つ各冷却モジュールの冷却モジュール入液孔および冷却モジュール出液孔はそれぞれ下液体冷却ブロック上のセット毎の入出液孔の垂直入液孔および垂直出液孔に連通し、各冷却モジュールと下液体冷却ブロックとの間にはいずれも正極連結プレートが設けられ、各冷却モジュールの上面にはいずれも負極連結プレートが設けられ、前記負極連結プレートには前記上液体冷却ブロックが設置され、前記負極連結プレートは冷却モジュール中央部の固定孔に対応してボルト貫通孔が設けられ、前記下液体冷却ブロックには前記各冷却モジュールの固定孔に対応して１セットの垂直のボルト貫通孔が設けられ、前記上液体冷却ブロック内には液戻り連通孔が設けられ、上液体冷却ブロックの下端面には上液体冷却ブロック入液孔および上液体冷却ブロック出液孔が設けられ、上液体冷却ブロック入液孔および上液体冷却ブロック出液孔は液戻り連通孔に連通し、上液体冷却ブロックの下端面にはさらに固定ネジ孔が設けられ、前記下液体冷却ブロック、冷却モジュールおよび負極連結プレートはボルトにより前記上液体冷却ブロックに固定されている。
【００３０】
本発明が提供する水平アレイ式半導体レーザは、さらに以下の技術方策を採用して実現可能である。
【００３１】
前記水平アレイ式半導体レーザでは、前記それぞれ各冷却モジュール上下両側に設置される負極連結プレートと正極連結プレートとはいずれも下液体冷却ブロックに絶縁固定され、その中で各ブロックの冷却モジュールの負極連結プレートが隣接する冷却モジュールの正極連結プレートに連結され、各冷却モジュール上下側のセット毎の負極連結プレートおよび正極連結プレートが電気的に直列接続するようにし、前記負極連結プレートが負極タブにより引き出され、前記正極連結プレートが正極タブにより引き出される。
【００３２】
前記水平アレイ式半導体レーザは、前記下液体冷却ブロック上の垂直入液孔の上端開口にシンクスロットが設けられ、前記シンクスロットに防液シールリングが設けられている。
【００３３】
本発明はさらに、前記冷却モジュールを使用した積層アレイ式半導体レーザを提供し、下から上へ順次積層する下底板、正極ブロック、複数バー直列モジュール群、負極ブロック、上圧ブロックおよび液体冷却ブロックを含み、その中で、前記複数バー直列モジュール群が複数のチップ付きの、入液孔および出液孔が設けられた冷却モジュールにより垂直積層してなり、前記冷却モジュールの入液孔および出液孔が前記複数バー直列モジュール群の入液チャネルおよび出液チャネルを構成し、前記正極ブロックには正極ブロック入液孔および正極ブロック出液孔が設けられ、前記負極ブロックには対応的に負極ブロック入液孔および負極ブロック出液孔が設けられ、前記上圧ブロックには入液貫通孔および出液貫通孔が設けられ、前記液体冷却ブロックには液体冷却ブロック入液孔および液体冷却ブロック出液孔が設けられ、前記正極ブロック入液孔、入液チャネル、負極ブロック入液孔、入液貫通孔および液体冷却ブロック入液孔が順次連通する。前記正極ブロック出液孔、出液貫通孔、負極ブロック出液孔、出液貫通孔および液体冷却ブロック出液孔は順次連通する。前記下底板には下底板入液孔および下底板出液孔が対応して設置され、前記下底板両側には側板が設けられ、前記正極ブロック、複数バー直列モジュール群および負極ブロックが順次積層実装された後に下底板上の両側板の間に設置され、前記上圧ブロックが負極ブロックの上側に設けられるとともに下底板の両側板上端に固定連結し、前記上圧ブロック上側面には液体冷却ブロックが固定連結され、前記液体冷却ブロック内には導通孔が設置され、前記液体冷却ブロック入液孔および液体冷却ブロック出液孔の一端が導通孔を介して連通し、もう一端がそれぞれ上圧ブロックの入液貫通孔および出液貫通孔に連結する。前記下底板、正極ブロック、複数バー直列モジュール群、負極ブロックおよび上圧ブロックは中心貫通スクリューを介して積層アレイ形式で一体に連結される。
【００３４】
前記積層アレイ式液体冷却半導体レーザは、前記下底板の両側板の発光面から遠い側にＨ型後板が固定連結される。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は従来技術に比較して明らかなメリットおよび有益な効果を備える。前記技術内容により、本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザおよびその製造方法は相当な技術的進歩性および実用性が達成でき、且つ産業上での広い利用価値を有し、それは少なくとも以下のメリットを備える。
【００３６】
１．本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザは構造が簡単で、使用および維持が便利であり、その液体冷却プレートがマイクロチャネル構造を有せず、放熱フィン構造を採用したものであり、冷却液顆粒度への要求が高くなく、工業用水を使用すれば正常作動が可能であり、且つ機械加工が容易で、製造コストも相対的に低減され、従ってコストを大幅に下げ、経済的利益を高めることができ、使用の実用性およびコストダウンにおいて、産業発展の必要に確実且つ完全に符合し、非常に産業利用価値を有する。
【００３７】
２．本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザは放熱能力が高く、液体冷却を採用し、液体通路中に複数プレート放熱フィンを使用して放熱を行い、液体冷却プレートの放熱面積を大幅に増加させるとともに、冷却媒体の乱流度を増大させることによって、液体冷却プレートの冷却効果を強化して、同時に冷却媒体の流通空間も増大させ、これにより流動抵抗を低減して圧力降下を減少する作用をし、機器の熱抵抗を減少して放熱能力を向上させる目的を達成できる。
【００３８】
３．本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザは信頼性が高く、水路サイズはマイクロチャネル構造と比較してサイズが大幅に増加することから、冷却液チャネルが腐食するリスクが比較的低く、信頼性は大幅に向上する。
【００３９】
４．本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザは密封への要求が低い。本発明は従来技術におけるマイクロチャネルの代わりに放熱フィンを採用して、冷却媒体の流通空間を大幅に増加させることから、流動抵抗が低減して圧力降下が減少し、従って密封への要求もこれに伴い低下する。
【００４０】
５．本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザはレーザのハイパワー出力を実現し、本発明の液体冷却能力は低デューティ比準連続波の作動要求を完全に満たし、ハイパワーのレーザ出力が実現可能である。
【００４１】
６．本発明の半導体レーザは、冷却媒体入出口位置が選択可能であり、同一端面にも、正負極ブロック両端にも設計可能である。
【００４２】
７．本発明の水平アレイ式半導体レーザは能動的放熱方式を採用し、液体をレーザ発熱部位ヒートシンクの下方へ直接注入して熱量を迅速に奪うことによって、アレイレーザの放熱能力が大幅に向上し、電力の拡大を容易に実現して、側ポンプまたは特殊用途のハイパワーに対する要求を満たすことができる。レーザ（チップ付き冷却モジュール）ごとに単独パッケージしその後組み立てる製造工程を採用することから、レーザは単独製造が可能であり、相互に独立し、単一のレーザが損壊された場合にも迅速に交換可能であり、従ってその他のレーザの正常作動に影響しないとともに、水平アレイレーザ全体の使用コストを下げることが可能である。水平アレイのレーザの数は大幅に増加することができ、従ってさらに大きなレーザ電力出力が実現可能であり、連続（ＣＷ）および準連続（ＱＣＷ）のモードでの作動も可能である。
【００４３】
８．本発明の積層アレイ式半導体レーザはレーザハイパワー出力が実現可能であり、複数の、チップ付きの冷却モジュール積層構造を採用することから、その冷却能力は低デューティ比準連続波の作動要求を完全に満たし、ハイパワーのレーザ出力が実現可能である。
【００４４】
要するに、本発明のレーザ用冷却モジュール、該モジュールで製造した半導体レーザおよびその製造方法について、本発明は前記多くのメリットおよび実用価値を有し、製品構造にしても機能にしても大きな改良があり、技術上で顕著な進歩を有するとともに、使いやすく且つ実用的な効果を生じ、また従来の半導体レーザと比較してさらに突出した複数の効果を有することから、より実用に適し、且つ産業上の広い利用価値を有し、新規性、進歩性、実用的な新設計である。
【００４５】
前記説明は単に本発明技術内容の概要であり、さらに本発明の技術手段を明瞭に理解して明細書の内容に基づいて実施でき、且つ本発明の前記およびその他の目的、特徴およびメリットをより明確で理解し易くするために、以下に好ましい実施例を列挙し、図面と併せて、詳細に以下の通り説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の冷却モジュールの組成構造外観斜視分解図である。
【図２】本発明の冷却モジュールの組成構造外観斜視概略図である。
【図３】本発明の冷却モジュールにおけるハニカム状放熱プレートの液体冷却プレートの斜視概略図である。
【図４】本発明のシングルバー半導体レーザの斜視分解図である。
【図５】本発明のシングルバー半導体レーザの斜視図である。
【図６】本発明のシングルバー半導体レーザの上液体冷却ブロックの断面図である。
【図７】本発明のシングルバー半導体レーザの下液体冷却ブロックの断面図である。
【図８】本発明のシングルバー８０８ｎｍ半導体レーザサンプルのＰ−Ｉ曲線図である。
【図９】本発明の水平アレイ式半導体レーザの斜視分解図である。
【図１０】本発明の水平アレイ式半導体レーザにおける下冷却ブロックの斜視概略図である。
【図１１】本発明の水平アレイ式半導体レーザにおける上冷却ブロックの断面図である。
【図１２】本発明の水平アレイ式半導体レーザの斜視概略図である。
【図１３】本発明の水平アレイ式半導体レーザの放熱概略図である。
【図１４】本発明の積層アレイ式半導体レーザの斜視分解図である。
【図１５】本発明の積層アレイ式半導体レーザにおける液体冷却ブロックの斜視外略図である。
【図１６】本発明の積層アレイ式半導体レーザにおける液体冷却ブロックの断面図である。
【図１７】本発明の積層アレイ式半導体レーザの組立て斜視図である。
【図１８】本発明の積層アレイ式半導体レーザの冷却液チャネル走向の断面概略図である。
【図１９】本発明の積層アレイ式半導体レーザの冷却液チャネル交換方法の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
さらに本発明が所定の発明目的を達成するために採用する技術手段および効果を述べるために、以下に図面と好ましい実施例とを結び付けて、本発明の提出したレーザ用冷却モジュール、製造方法および該モジュールで製造した半導体レーザに基づく具体的実施形態、構造、特徴およびその効果について、以下のように詳細に説明する。
【００４８】
本発明の前記およびその他の技術内容、特徴および内容については、以下の通り、参考図を併せた好ましい実施例についての詳細な説明において明瞭に表現される。具体的実施形態の説明により、本発明が所定の目的を達成するために採用する技術手段および効果についてさらに深く且つ具体的に理解することができるが、しかしながら添付図は参考および説明用に提供されるに過ぎず、本発明に制限を与えるものではない。
【００４９】
図１、図２に示すように、本発明の好ましい実施例のレーザ用冷却モジュール１０は主に連結プレート１および、前記連結プレート１と相互に積層する液体冷却プレート２を含み、前記相互に積層する連結プレート１と液体冷却プレート２との中央部には固定孔３（連結プレート１の固定孔３−１、液体冷却プレート２の固定孔３−２）が垂直開設され、固定孔３の両側にはそれぞれ入液孔４（４−１、４−２）および出液孔５（５−１、５−２）が設けられ、前記液体冷却プレート２の入液孔４−２内には放熱フィン６が設けられ、前記液体冷却プレート２の冷却モジュール入液孔４に近い一端にはチップ実装領域が設けられ、具体的には段差１３が加工され、前記液体冷却プレート２のチップ実装領域にはヒートシンク７およびチップ８が設けられ、前記ヒートシンク７と前記チップ８との正極面は接合し、前記チップ８の負極面と前記連結プレート１とは接合し、前記連結プレート１と液体冷却プレート２との間にはさらに絶縁プレート９が設けられている。前記ヒートシンク７は省略してもよいが、この場合、チップ実装領域に段差を設置する必要がなく、チップ８の正極面は液体冷却プレート２に直接接合する。具体的にヒートシンクを設置するか否かは、ユーザの要望に応じて定める必要がある。
【００５０】
前記液体冷却プレート２は矩形プレート状であり、必要に応じてその他の多角形状に設計してもよく、液体冷却プレート２中央部の固定孔３−２の直径は３．５ｍｍであり、液体冷却プレート２の厚みは１．６ｍｍに抑えられ、入液孔４−２の直径は５．５ｍｍであり、出液孔５−２の直径は５．５ｍｍであり、前記入液孔４−２内に設けられる放熱フィン６は入液孔４−２内の若干の金属プレートに径方向に固定され（図２に示す）、その数量は三枚が選択可能である。放熱フィン６は入液孔４−２の加工時に一体に成形してもよく、後で入液孔４−２に固定されてもよく、且つ放熱フィン６の構造も金属プレート一種に限定されるものではなく、入液孔４−２内に設けられるハニカム状液体冷却プレート１１でも良い（図３に示す）。
【００５１】
前記ヒートシンク７は熱伝導性能の良い材料を用いて製造され、この場合、チップ８の放熱経路が増加するが、一方で液体冷却プレート２にチップ８を直接半田付けすることによって熱膨張係数が整合せず熱応力集中現象が発生することを大幅に消去することができる。
【００５２】
シールリング配置の便宜上、入液孔４−２および出液孔５−２の上端に、その直径よりも大きい座繰り孔１２を設置することが可能であり、座繰り孔１２にシールリング１３を設置して、半導体レーザの組成時に液体冷却プレートとその他の部材との間の密封性能を保証する。本発明の入液孔４−２および出液孔５−２は円形でよく（図１に示す）、多角形、楕円形等その他、冷却液流通に有利な形状であってもよい。
【００５３】
前記液体冷却プレート２の材質は例えば銅、アルミニウムのような熱伝導能力の高い金属を選択してもよく、セラミック、ダイヤモンドまたはその他の複合材料（例えば銅とダイヤモンドの複合材料）を選択しても良い。また、液体冷却プレート２の表面は防腐メッキ層を塗布してもよい。
【００５４】
本発明は前記レーザ用冷却モジュールの作成方法をさらに提供し、以下のステップを含む。
【００５５】
１）先ず液体冷却プレートを加工し、矩形プレートを加工するとともに、その表面を研磨し、その上に固定孔および出液孔を作成する。
【００５６】
２）液体冷却プレートに入液孔および放熱フィンを加工し、液体冷却プレートの入液孔に近い一端にチップ実装領域を予め保留する。
【００５７】
３）出液孔および入液孔上端に座繰り孔を加工し、液体冷却プレートの作成を完了する。
【００５８】
４）液体冷却プレートを洗浄、乾燥した後に、侵食を防ぐために電気メッキ処理を行う。
【００５９】
５）プレート接合技術を採用しハードソルダー（金−錫合金）によりチップの正極（ｐ面）をヒートシンクに溶接して、リフロー半田付け技術でヒートシンク、チップおよび絶縁プレートと、マイクロ液体冷却プレートおよび銅連結プレートとを溶接する。液体冷却プレートのチップ実装領域に段差がない場合には、ソフトソルダーを採用してチップと液体冷却プレートとを連結する。
【００６０】
図１、図４、図５、図６、図８に示すように、本発明が提起する前記冷却モジュール１０を使用したシングルバー半導体レーザは、チップ付き冷却モジュール１０、上液体冷却ブロック１１０、正極連結プレート１２０、連結プレート固定プレート１３０および下液体冷却ブロック１４０を含み、その中で、前記下液体冷却ブロック１４０、冷却モジュール１０および上液体冷却ブロック１１０は順次下から上へ積層して一体に連結され、前記下液体冷却ブロック１４０の上端面の一側には段差１４１が設けられ、段差１４１には出液孔１２１を備えた正極連結プレート１２０と出液孔１３１を備えた連結プレート固定プレート１３０とが設けられている。前記下液体冷却ブロック１４０には、前記冷却モジュール１０の固定孔３、入液孔４および出液孔５に対応してそれぞれ下冷却ブロック固定孔１４２、下冷却ブロック入液孔１４３および下冷却ブロック出液孔１４４が設けられ、前記上液体冷却ブロック１１０には、前記冷却モジュールの固定孔３、入液孔４および出液孔５に対応してそれぞれ固定ネジ孔１１１、上冷却ブロック入液孔１１２および上冷却ブロック出液孔１１３、並びに前記上冷却ブロック入液孔１１２と上冷却ブロック出液孔１１３とを連結する連通孔１１４が設けられている。前記冷却モジュール１０と前記上下両側の上液体冷却ブロック１１０および下液体冷却ブロック１４０とは一つのボルトで前記下液体冷却ブロック１４０および冷却モジュール１０の固定貫通孔を貫通し、前記上液体冷却ブロック１１０の固定ネジ孔１１１に締結して一体となる。前記下冷却ブロック入液孔１４３、冷却モジュール１０の入液孔４および上冷却モジュール１１０の入液孔１１２は入液チャネルを構成する。前記上冷却モジュール出液孔１１３、冷却モジュール出液孔５、正極連結プレート１２０および連結プレート固定プレート１３０の出液孔１２１、１３１および下冷却モジュール出液孔１４４は出液チャネルを構成する。
【００６１】
前記下液体冷却ブロック１４０の入液孔１４３は、下部入液孔１４３１、中部過渡階段孔１４３２および上端拡張孔１４３３からなり、入液チャネルの密封が良好になるように、前記上端拡張孔１４３３の孔口にはシールリング１５０が設けられている。良好な密封効果を達成するために、それぞれ各入液孔４、１１２および各出液孔１４４、１３１、１２１、５、１１２の間にシールリングを設置してもよく、入液チャネルおよび出液チャネル全体の良好な密封効果を達成する。
【００６２】
前記正極連結プレート１２０は連結プレート固定プレート１３０により正極連結プレート１２０、連結プレート固定プレート１３０側面に設置される固定孔１２２、１３２を介して、スクリューにより下液体冷却ブロック１４０側面のネジ孔１４５に固定される。上液体冷却ブロック１１０の側面には負極配線孔１１３が設けられ、負極配線孔１１３がネジ孔であり、負極がスクリューにより引き出される。上液体冷却ブロック１１０の側面は、連通孔のポートに密封プラグ１６０が設けられている。
【００６３】
本発明の新型シングルバー液体冷却レーザは以下のように作成される。
【００６４】
１）図５および図７に示すように、銅ブロックに孔を穿ち上液体冷却ブロック１１０および下液体冷却ブロック１４０を作成する。
【００６５】
２）シールリング１５０をそれぞれ下液体冷却ブロック１４０の入液孔１４３および出液孔１４４の上端口外環、冷却モジュール１０上の入液孔４および出液孔５、上液体冷却ブロック１１０の入液孔１１２および出液孔１１３の下端口外環に置き、且つ下から上へ順に下液体冷却ブロック１４０、下液体冷却モジュール１０、上液体冷却ブロック１１０を積層する。
【００６６】
３）連結スクリューを用いて順次、下液体冷却ブロック１４０、冷却モジュール１０中央部の固定貫通孔を貫通し、上液体冷却ブロック１１０上の固定ネジ孔１１１内に旋回し、各部材を一体に密着連結して、本発明のシングルバー液体冷却レーザの組立てを完了する。
【００６７】
本実施例の作動原理は以下の通りである。
【００６８】
作動時に、正極連結プレート１２０と負極配線孔１１３とに電圧を加える。レーザチップ８が正常に作動し、作動時に発生する熱量は冷却液の循環流動を利用して奪われる。冷却液は下液体冷却ブロック１４０の入液口１４６から入り（図７に示す）、入液チャネル過渡段１４７を経て入液孔１４３に入り、その後冷却モジュール１０の入液孔４に入る。冷却液は下液体冷却ブロック１４０の入液孔１４３内で乱流を形成する。冷却液が入液孔１４３に充満し、直接に冷却モジュール１０のチップ８に接合する液体冷却プレート２の下表面からチップ８の発生した大部分の熱量を奪う。チップ８が発生した残りの熱量は液体冷却プレート２を介して放熱フィン６に伝導されるが、冷却液は液体冷却プレート２の放熱フィン６に衝突して放熱フィン６の熱量を奪い、その後順に絶縁プレート９、連結プレート１を通って上液体冷却ブロック１１０の入液孔１１２に至り、連結孔１１５から出液孔１１３に入ってから冷却モジュール１０の出液孔５を通り、最終的に下液体冷却ブロック１４０の出液孔１１４を介して排出され、冷水機で熱量を放出した後、再び入液口１４６に入り、冷却液は入液チャネルおよび出液チャネルにおいて完全密封され、冷却剤の漏れによる半導体レーザの損壊を防止する。
【００６９】
本発明の冷却媒体入出口位置は上述の構造を採用する以外に、上液体冷却ブロック入液および出液の方式を採用してもよい。さらに、冷却媒体入出口位置を上、下液体冷却ブロック両端に設計してもよく、この場合、冷却液がレーザ内で一方向流動する。具体的な冷却液の循環形式は、レーザの実装方式および外部部品の設置に応じて柔軟に確定する必要がある。本発明の上液体冷却ブロック、負極ブロックは一体構造を採用してもよく、独立の構造を採用してもよい。
【００７０】
本発明のレーザ構造に基づき、８０８ｎｍ、２５０Ｗシングルアレイ液体冷却半導体レーザを製造し、以下にこのような８０８ｎｍシングルアレイ液体冷却半導体レーザの各項テスト結果を提示する。
【００７１】
（１）図８に示すのは８０８ｎｍシングルアレイ半導体レーザサンプルのＬ−Ｉ−Ｖ曲線であり、その最高出力光電力は２８９．４５Ｗである。
【００７２】
（２）パルス（４００Ｈｚ、２００μｓ）２５０Ａの作動条件で、８０８ｎｍシングルアレイ半導体レーザサンプルのテスト結果は図７に示される。このとき、レーザの閾値電流は２１．３５Ａであり、スロープ効率は１．３１Ｗ／Ａであり、典型的な電気光変換効率は５９．０７％である。
【００７３】
（３）図８に示すのは、本発明を使用して製造した半導体レーザサンプルであり、波長８０８ｎｍ、電力２５０Ｗのスペクトル測定結果は、そのピーク値波長が８０８．５３ｎｍであり、中心波長が８０８．５３ｎｍであり、ＦＷＨＭが２．７３ｎｍであり、ＦＷ９０％Ｅが３．８５ｎｍである。
【００７４】
本発明は使用電力要求を満たす条件の下で従来の半導体レーザの採用するマイクロチャネル液体冷却形式を変え、マイクロチャネル構造の加工で生じる加工難度および高コストの不足を効果的に回避し、本発明はフィンの放熱形式を採用することで冷却液の循環流動抵抗を減らし、冷却液の圧力降下が大き過ぎるという不足を回避するだけでなく、さらにフィン加工難度が低いことから、生産コストを大幅に下げ、且つこのようなフィン放熱形式はマイクロチャネル構造の放熱と同等の放熱効果が達成でき、本発明の上液体冷却ブロックと下液体冷却ブロックを併せて、本発明は良好な放熱効果が達成できる。
【００７５】
図９〜図１３に示すように、本発明が提起する前記冷却モジュールを使用した水平アレイ式半導体レーザは、下液体冷却ブロック２１０、正極連結プレート２２０、負極連結プレート２３０、上液体冷却ブロック２４０、二つ以上の並列の固定孔３、入液孔４、出液孔５およびチップ８が設けられた冷却モジュール１０を含んで（図１を参照）組み立て構成され、さらに防水シールリング２７０および必要なボルトまたはスクリューなどのいくつかの補助部材を含む。その中で、前記下液体冷却ブロック２１０内には下液体冷却ブロック水平入液孔２１１および下液体冷却ブロック水平出液孔２１２が設けられ、前記下液体冷却ブロック２１０の上端面には２セット以上の入出液孔が設けられ（図中には３セット示される）、前記入出液孔がセット毎に一つの垂直入液孔２１３および一つの垂直出液孔２１４を含み、前記垂直入液孔２１３と下液体冷却ブロック水平入液孔２１１とが連通し、前記垂直出液孔２１４と下液体冷却ブロック水平出液孔２１２とが連通し、前記２セット以上の、入液孔４および出液孔５が設けられた冷却モジュール１０は前記下液体冷却ブロック２１０上端面のセット毎の入出液孔２１３、２１４に対応して並列設置され、且つ各冷却モジュール１０の冷却モジュール入液孔４および冷却モジュール出液孔５はそれぞれ下液体冷却ブロック２１０上のセット毎の入出液孔の垂直入液孔２１３および垂直出液孔２１４に連通し、各冷却モジュール１０と下液体冷却ブロック１０との間にはいずれも正極連結プレート２２０が設けられ、各冷却モジュール１０の上面にはいずれも負極連結プレート２３０が設けられ、前記負極連結プレート２３０には前記上液体冷却ブロック２４０が設置されている。前記負極連結プレート２３０には冷却モジュール１０中央部の固定孔３に対応してボルト貫通孔２３１が設けられ、前記下液体冷却ブロック２１０には前記各冷却モジュール１０の固定孔３に対応して１セットの垂直のボルト通孔２１５が設けられ、前記上液体冷却ブロック２４０内には液戻り連通孔２４１が設けられ（図１１に示される）、前記上液体冷却ブロック２４０内の液戻り連通孔２４１は止まり穴であり、その開口端が通常はプラグにより閉塞され冷却水の流出を防止する（図示されない）。前記液体冷却ブロック１４０の下端面には上液体冷却ブロック入液孔２４２および上液体冷却ブロック出液孔２４３が設けられ、上液体冷却ブロック入液孔２４２および上液体冷却ブロック出液孔２４３は液戻り連通孔２４１に連通し、上液体冷却ブロック２４０の下端面の、上液体冷却ブロック入液孔２４２および上液体冷却ブロック出液孔２４３の間にはさらに固定ネジ孔２４４が設けられ、前記下液体冷却ブロック２１０、冷却モジュール１０および負極連結プレート２３０はボルトにより前記上液体冷却ブロック２４０に固定される。
【００７６】
前記下液体冷却ブロック２１０上のボルト通孔２１５の位置はセット毎の入出液孔の垂直入液孔２１３および垂直出液孔２１４の間にあり、前記下液体冷却ブロック２１０は、垂直出液孔２１５が位置する面に段差が設けられている。
【００７７】
前記それぞれ各冷却モジュール１０上下両側に設置される負極連結プレート２３０と正極連結プレート２２０とはいずれも下液体冷却ブロック２１０に絶縁固定され、その中で各ブロックの冷却モジュール１０の負極連結プレート２３０が隣接する冷却モジュールの正極連結プレート２２０に連結され、各冷却モジュール上下側のセット毎の負極連結プレート２３０および正極連結プレート２２０が電気的に直列接続するようにし、前記負極連結プレート２３０が負極タブ２５０により引き出され、前記正極連結プレート２２０が正極タブ２６０により引き出される。前記負極連結プレート２３０の形状は冷却モジュール１０に基づいて設計され、冷却モジュール１０の入液孔４、出液孔５および固定孔３に応じて対応的に貫通孔を開設してある。正極連結プレート２２０は小さな金属プレートであり、冷却モジュール１０の出液孔５に対応して貫通孔を開設してある。
【００７８】
冷却液が下液体冷却ブロック２１０上の垂直入液孔２１３孔内の乱流程度を増加させるために、前記下液体冷却ブロック２１０上の垂直入液孔２１３の上端開口にシンクスロット２１６が設けられ、前記シンクスロット２１６は矩形に設置されてもよく、図に示すように、設計の必要に応じてその他の形状に設計されてもよい。シンクスロット２１６の口径は垂直入液孔２１３より大きく、且つシンクスロット２１６にはシールリング２７０が設けられ、シンクスロット２１６周辺には段差が加工され、シールリング２７０は段差に実装される。
【００７９】
本実施例の具体的な実装構造は、下液体冷却ブロック２１０上端面にセット毎の入出液孔に対応して二つ以上の相互に独立した冷却モジュール１０が横並びに配設され（図は三つを設置した場合）、各冷却モジュール１０と下液体冷却ブロック２１０との間にはいずれも正極連結プレート２２０が設けられ、各冷却モジュール１０の上面にはいずれも負極連結プレート２３０が設けられている。各負極連結プレート２３０には上液体冷却ブロック２４０が設置される。各冷却モジュール１０の入液孔４および出液孔５はそれぞれ下液体冷却ブロック２１０のセット毎の入出液孔の垂直入液孔２１３および垂直出液孔２１４に連通する。同時に、各冷却モジュール１０の入液孔４および出液孔５も、それぞれ上液体冷却ブロック２４０の上液体冷却ブロック入液孔２４２および上液体冷却ブロック出液孔２４３に連通する。下液体冷却ブロック２４０のセット毎の入出液孔の垂直入液孔２１３上のシンクスロット２１６は冷却モジュール１０下部に位置し、且つ防水シールリング２７０を介して冷却モジュール１０の液体冷却プレート２と接合する。正極連結プレート２２０は、下液体冷却ブロック２１０の垂直出液孔２１４がある面の段差に実装され、各正極連結プレート２２０はそれぞれ各冷却モジュール１０の液体冷却プレート２下面と接合し、且つ第一の正極連結プレート２２０は正極タブに直接連結し、次の正極連結プレート２２０は一つ前の負極連結プレート２３０に連結し、各負極連結プレート２３０は各冷却モジュール１０の連結プレート１に接合し、且つ負極連結プレート２３０ごとに次の正極連結プレート２２０に連結し、即ち各冷却モジュール１０上下側のセット毎の負極連結プレート２３０および正極連結プレート２２０が電気的に直列接続し、最後の冷却モジュールの負極連結プレート２３０は負極タブ２５０により直接引き出される。各正極連結プレート２２０とその対応する各負極連結プレート２３０とはいずれもスクリューにより下液体冷却ブロック２１０側辺の１セットの連結プレート固定孔２１７に固定され、且つセット毎の正極連結プレート２２０と負極連結プレート２３０との間には絶縁用の絶縁プレート２８０が設けられている。
【００８０】
前記上液体冷却ブロック２４０、冷却モジュール１０および負極連結プレート２３０はボルトにより下液体冷却ブロック２１０に固定され、具体的にボルトは下液体冷却ブロック２１０のねじ固定孔２１５下端から入って、それぞれ冷却モジュール１０および負極連結プレート２３０のボルト貫通孔を貫通し、最後に上液体冷却ブロック２４０下端の上液体冷却ブロック固定ネジ孔２４４内に旋回する。本発明において密封性を保証するために、冷却モジュール１０の入液孔４および出液孔５にはいずれもゴムシールリング１３が設けられている。
【００８１】
本実施例の製造過程は以下の通りである。
【００８２】
（１）下液体冷却ブロック２１０に開孔し、開孔時下液体冷却ブロック水平入液２１１および下液体冷却ブロック水平出液孔２１２の開口径は冷却ブロック１０の入液孔４および出液孔５の開口径よりも略大きく、水流安定を確保する。
【００８３】
（２）先ず、Ｎ個の防水シールリング２７０を下液体冷却ブロック２１０の垂直入液孔２１３に置き、その後、正極連結プレート２２０を下液体冷却ブロック２１０上に置き、その上面にＮ個のチップ８付きの冷却モジュール１０を平行配置する。その後それぞれ負極連結プレート２３０および上液体冷却ブロック２４０を冷却モジュール１０の上方に順次積層し、正極タブ２６０を最辺縁の正極連結プレート２２０の下に挟み、冷却モジュール１０の正極連結プレート２６０、一つ前の負極連結プレート２３０、絶縁プレート２８０および負極タブ２３０を下液体冷却ブロック２１０の周辺に順次内から外へ固定する。その中で、負極連結プレート２３０と正極連結プレート２２０との間は絶縁プレート２８０により隔てられるとともに、固定ネジにより下液体冷却ブロック２１０に固定され、電気的接続の信頼性を保証する。最後に、構造全体はボルトにより連結される。
【００８４】
（３）各項のパラメータ指標がいずれも合格するようテストを行った後に出荷する。
【００８５】
本実施例の作動過程は以下の通りである。
【００８６】
チップ８における正負極の間に連結するｐ−ｎ接合半導体発光材料は順バイアスを加えられ、ｐ区は正極に接合し、ｎ区は負極に接合する。順電圧の電界はｐ−ｎ接合のビルトイン電界方向と反対で、ビルトイン電界の結晶体における電子拡散運動に対する障害作用を低減し、ｎ区中の自由電子を順電圧の作用で絶えずｐ−ｎ接合を介してｐ区に拡散させ、同時に接合区内に大量の伝導帯中の電子および価電子帯中の正孔が存在する場合、注入区で複合を生じ、伝導帯中の電子が価電子帯へ遷移した場合、残りのエネルギーが光の形式で発射される。レーザ作動時の発熱は冷却モジュール１０における液体冷却プレート２を利用して放熱される。図１３を参照して、冷却液は下液体冷却ブロック２１０の水平入液孔２１１から各垂直入液孔２１４に入り、シンクスロット２１６内で急拡大し、冷却液は冷却モジュール１０チップ実装部位の下側面に広い面積で接触し、その後各冷却モジュール１０の入液孔４から放熱フィン６を介して、チップ８が作動時に生じた熱量を吸収し、その後上へと上液体冷却ブロック２４０の入液孔２４２に流れ込み、液戻り連通孔２４１および上液体冷却ブロックの出液孔２４３を経た後冷却ブロック出液孔５を通って各垂直出液孔２１４に入り、最後に下液体冷却ブロック２１０の水平出液孔２１２に集まった後排出され、熱量が奪われる。
【００８７】
本実施例はマイクロチャネル液体冷却半導体レーザアレイ製品と比べて、使用電力およびデューティ比の要求を満たす条件の下でコストを大幅に削減し、熱抵抗を減らすと同時に、冷却媒体の圧力降下が大き過ぎるという難点を解消し、ビーム品質を満足する前提でレーザの高出力電力を保証することができる。
【００８８】
本実施例の技術内容は以上の具体的記載に限定されず、明細書および図面に示される構造形式に限定されるものでもなく、以下に本発明がさらに採用可能な部分的交換方式を列挙する。
【００８９】
１．半導体レーザ全体の入出水口は、全て下液体冷却ブロック２１０に設置されることは限定されず、入水口を下液体冷却ブロック２１０に、出水口を上液体冷却ブロック２４０に設けてもよい。
【００９０】
２．下液体冷却ブロック２１０の入出水口は同一側にあってもよく、左右両側に分布してもよい。入水口を一つおよび出水口を一つのみを有してもよく、入出水口を一つ以上有してもよい。
【００９１】
３．下液体冷却ブロック２１０および冷却モジュール１０の冷却液チャネル（例えば垂直入液孔、垂直出液孔、冷却モジュール出液孔、冷却モジュール入液孔等）の断面は例えば、矩形、楕円形等、任意の形状でよい。
【００９２】
４．上液体冷却ブロック２４０は独立分離して、冷却モジュール１０と一つ一つ対応してもよく、一つの全体としてもよく、上液体冷却ブロック２４０の材料は金属または非金属材料でよい。
【００９３】
図１４〜図１９に示すように、本発明はさらに前記冷却モジュールを使用した積層アレイ式半導体レーザを提供する。下から上へ順次積層する下底板３１０、正極ブロック３２０、複数バー直列モジュール群３３０、負極ブロック３４０、上圧ブロック３５０および液体冷却ブロック３６０を含み、その中で、前記複数バー直列モジュール群３３０は、複数のチップ８付きの、入液孔４および出液孔５が設けられた冷却モジュール１０（図１を参照）により垂直積層してなる。
【００９４】
前記冷却モジュール１０の入液孔４および出液孔５は前記複数バー直列モジュール群の入液チャネル３３１および出液チャネル３３２を構成し、且つ前記入液チャネル３３１および出液チャネル３３２はチップ付きの冷却モジュール３３の平面に垂直である。チャネル内に間隔を置いて設けられる放熱フィン６が入液チャネル３３１内に備えられている。
【００９５】
前記正極ブロック３２０には正極ブロック入液孔３２１および正極ブロック出液孔３２２が設けられ、中間に貫通孔３２３が設けられ、前記負極ブロック３４０には対応的に負極ブロック入液孔３４１および負極ブロック出液孔３４２が設置され、前記上圧ブロック３５０には入液貫通孔３５１および出液貫通孔３５２が設けられ、前記液体冷却ブロック３６０には液体冷却ブロック入液孔３６１および液体冷却ブロック出液孔３６２が設けられ、前記正極ブロック入液孔３２１、入液チャネル３３１、負極ブロック入液孔３４１、入液貫通孔３５１および液体冷却ブロック入液孔３６１は順次連通する。前記正極ブロック出液孔３２２、出液チャネル３３２、負極ブロック出液孔３４２、出液貫通孔３５２および液体冷却ブロック出液孔３６２は順次連通する。前記下底板３１０には対応的に下底板入液孔３１１および下底板出液孔３１２が設置され、前記下底板両側には側板３１３が設けられ、前記正極ブロック３２０、複数バー直列モジュール群３３０および負極ブロック３４０は順次積層実装された後に下底板３１０の両側板３１３の間に設置され、前記複数バー直列モジュール群３３０の最下端の冷却モジュール１０と正極ブロック３２０とは密着接合し、入液チャネル３３１および出液チャネル３３２の下端口は、それぞれシールリングを介して正極ブロック３２０の正極ブロック入液孔３２１および正極ブロック出液孔３２２の上端口に連結する。
【００９６】
前記上圧ブロック３５０は、負極ブロック３４０の上側に設けられるとともに、下底板３１０の両側板３１３上端に固定連結する。前記上圧ブロック３５０上側面には、液体冷却ブロック３６０が固定連結される。
【００９７】
前記液体冷却ブロック３６０の構造は図１５および図１６に示すように、その内には導通孔３６３が設置され、下端面には液体冷却ブロック入液孔３６１および液体冷却ブロック出液孔３６２が設けられ、液体冷却ブロック入液孔３６１と液体冷却ブロック出液孔３６２は導通孔３６３を介して連通し、その中で、導通孔３６３は止まり穴であり、その開口には栓３６４が設けられ、このようにして、複数バー直列モジュール群３３０の入液チャネル３３１、導通孔３６３および出液チャネル３３２は冷却媒体流通回路を形成する（図１８に示す）。
【００９８】
前記上圧ブロック３５０の入液貫通孔３５１および出液貫通孔３５２の下端口はシールリングを介して、負極ブロック３４０上の負極ブロック入液孔３４１および負極ブロック出液孔３４２の上端口と相接する。負極ブロック３４０の形状は正極ブロック３２０と同一であり、負極ブロック３４０の下端面は、複数バー直列モジュール群３３０の最上端のチップ付き冷却モジュール１０の連結プレート１に接合する。負極ブロック入液孔３４１および負極ブロック出液孔３４２もそれぞれシールリングを介して、入液チャネル３３１および出液チャネル３３２と相接する。
【００９９】
前記下底板３１０の両側板３１３の、複数バー直列モジュール群３３０の発光面から遠い側にはＨ型後板３８０が固定連結される。その後板固定孔３８１はスクリューにより側板３１３に固定される。前記下底板３１０、正極ブロック３２０、複数バー直列モジュール群３３０、負極ブロック３４０および上圧ブロック３５０は中心貫通スクリュー３７０を介して積層アレイ形式で液体冷却ブロック３６０と一体に連結され、一つの完全な液体冷却回路を形成する。
【０１００】
以下に本発明の具体的な製造方法を詳細に記載する。
【０１０１】
１）上圧ブロック３５０および液体冷却ブロック３６０に連結孔３５４および３６５を加工する。
【０１０２】
２）Ｈ型後板３８０をスクリューにより固定孔３８１を介して底板３１０の両側板３１１に締結する。
【０１０３】
３）正極ブロック３２０下端面、側板３１３およびＨ型後板３８０に絶縁層を塗布する。正極ブロック３２０を底板３１０の両側板３１３の間に置き、絶縁層面を下底板３１０の入出液口３１１に接近させ、正極ブロック３２０の入液孔３２１および出液孔３２２上下両面をシールリングで密封する。
【０１０４】
４）複数のチップ付き冷却モジュール１０を垂直方向に積層して複数バー直列モジュール群３３０を形成し、最下端の冷却モジュール１０の液体冷却プレート２の底端を、シールリングを有する正極ブロック３２０に置き、複数バー直列モジュール群３３０全体を後板３８０に密着させる。
【０１０５】
５）負極ブロック３４０上端面に絶縁層を塗布し、該負極ブロック３４０を複数バー直列モジュール群３３０最上端の銅製の連結プレート１に置く。
【０１０６】
６）上圧ブロック３５０を負極ブロック３４０に置き、貫通スクリュー３７０により上圧ブロック３５０、負極ブロック３４０、複数バー直列モジュール群３３０、正極ブロック３２０および下底板３１０をしっかりと一体に連結する。
【０１０７】
７）スクリューにより上圧ブロック３５０を連結ネジ孔３５３および側板固定ネジ孔３１４を介して下底板３１０の両側板３１３と一体に締結する。
【０１０８】
８）液体冷却ブロック３６０を連結孔３６５を介して上圧ブロック３５０の固定ネジ孔３５４にしっかりと一体に連結する。
【０１０９】
最後に図１７に示すように、積層アレイ全体を下から上へと組み立て、全体で一つの積層アレイ式液体冷却半導体レーザとする。
【０１１０】
以下に、本実施例の積層アレイ式液体冷却半導体レーザの作動過程を詳細に紹介する。
【０１１１】
図１８に示すように、作動時、チップ付き冷却モジュール１０毎にその液体冷却プレート２および連結プレート１に電圧を加え、チップ８のｐ区が液体冷却プレート２に連結し、ｎ区が連結プレート１に連結することから、チップ８のｐ−ｎ接合半導体材料が順バイアスを加えられ、順電圧の電界がｐ−ｎ接合のビルトイン電界方向と反対で、ビルトイン電界の結晶体における電子拡散運動に対する障害作用を低減し、ｎ区中の自由電子を順電圧の作用で絶えずにｐ−ｎ接合を介してｐ区に拡散させ、同時に接合区内に大量の伝導帯中の電子および価電子帯中の正孔が存在する場合、注入区で複合を生じ、伝導帯中の電子が価電子帯へ遷移した場合、残りのエネルギーが光の形式で発射され、チップ付き冷却モジュール１０が各々発する光はチップ８側辺方向から発射される。
【０１１２】
チップ８は作動過程で大量の熱量を生成するため、以下の冷却液の循環流動でチップ８への冷却・降温を実現する必要がある。
【０１１３】
冷却液は下底板３１０の入液口３１１から入り、正極ブロック３２０の正極ブロック入液孔３２１を経て複数バー直列モジュール群３３０の入液チャネル３３１内に至り、入液チャネル３３１内の放熱フィン上の熱量を奪い、冷却液は入液チャネル３３１を出た後、負極ブロック３４０の負極ブロック入液孔３４１および上圧ブロック３５０の入液貫通孔３５１を経て液体冷却ブロック３６０の液体冷却ブロック入液孔３６１内に入り、導通孔３６３を介して液体冷却ブロック出液孔３６２に導入され、その後液体冷却ブロック３６０を離れ、上圧ブロック３５０の出液貫通孔３５２および負極ブロック出液孔３４２を経て複数バー直列モジュール群３３０の出液チャネル３３２に入ってから、正極ブロック３２０の正極ブロック出液孔３２２に入り、下底板３１０下端の出液口３１２から流出し、冷却液は冷水機を経た後に再び下底板３１０下端の入液口に入り、冷却液循環冷却の作用を実現する。
【０１１４】
図１４、図１７または図１８の示すレーザ冷却内循環管路内の冷却液は下底板３１０下端の入液孔から流入し、下底板３１０の出液孔３１２から流出する。本発明はこの一種の方式に限定されず、図１９に示されるように、冷却液の入液口を下底板に設置して、出液口を液体冷却ブロック３６０に設置してもよい。また、冷却液循環流動の方向も上方から入って、下部から流出してもよい。
【０１１５】
要するに、本発明は製造が簡単で、生産コストが低いだけでなく、従来のマイクロチャネル構造形式の代わりに放熱フィンの形式を用いて、冷却液の流動抵抗を効果的に減らし、冷却液圧力降下を顕著に低下し、且つ冷却液がより密封しやすく、放熱能力がより高く、半導体レーザの寿命を効果的に延長させ、半導体レーザの出力電力および信頼性を向上するものである。
【０１１６】
以上の記載は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明に対していかなる形式上の制限もなさず、本発明は既に好ましい実施例により以上のように開示にされるが、しかしながら本発明を限定するものではなく、本分野に詳しいいかなる当業者も本発明技術内容を離脱しない範囲内で、前記開示される技術内容を利用すればいくつかの変更を行うか、または均等な変化をした同一効果の実施例に修飾することできるが、しかし本発明技術内容を離脱しない内容であれば全て、本発明の技術に基づいて実質的に以上の実施例に対して行われるいかなる簡単な変更、均等な変化および修飾も均しく本発明の技術内容の範囲内に属する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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