СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВУМЕРНОЙ МАТРИЦЫ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И КОННЕКТОР
METHOD FOR COOLING A TWO-DIMENSIONAL MATRIX OF LASER DIODES, A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION AND A CONNECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу охлаждения двумерной матрицы лазерных диодов, к устройству для осуществления данного способа, и коннектору, используемому в данном способе.
Уровень техники
2
2
2
2
2
2
2
Двумерные наборные матрицы лазерных диодов применяются как самостоятельные излучатели, так и в качестве элементов систем накачки современных мощных твердотельных лазеров. Существует два основных типа матриц, непрерывные (CW) и квазинепрерывные (QCW). Принципиальным отличием квазинепрерывных матриц от непрерывных является тепловой режим активных элементов - линеек лазерных диодов (ЛЛД), из которых набраны двумерные матрицы (Stack modules или Bar Modules). В QCW матрицах активные элементы (ЛЛД) успевают остыть за время промежутка между импульсами накачки, поэтому в таком режиме может быть получена более высокая мощность ЛЛД и более высокая плотность мощности, излучаемой с 1 см апертуры матрицы, что требуется для повышения эффективности твердотельных лазеров с диодной накачкой. В частности, одна из ведущих в мире фирм в этой области, Hamamatsu Photonics (Япония) выпускает непрерывные матрицы типа L11408-15-940 с мощностью излучения 1200 Вт и квазинепрерывные матрицы типа L13713-250-940 с мощностью излучения 8000 Вт, излучающие на длине волны 940 нм. CW матрица имеет площадь наборной поверхности ЛЛД около 2,3 см и площадь торца 13,5 см, a QCW соответственно 6 см и 17,2 см. Если оценивать плотность мощности только по «чистой» площади излучающей поверхности набора ЛЛД, то для CW матрицы она равна 521 Вт, для QCW около 1330 Вт с 1 см, выигрыш в 2,5 раза для QCW режима. Однако реальная, доступная для накачки твердотельных лазеров плотность мощности, определяется не площадью набора ЛЛД, а конструктивными параметрами, в данном случае площадью излучающего торца матрицы и составляет для CW и QCW матриц соответственно 88 Вт и 465 Вт с 1 см. Выигрыш в плотности мощности для QCW матрицы при этом составляет 5,2 раз! Приведенные опорные цифры для плотности мощности являются ключевыми для понимания актуальности решения, позволяющего повысить плотность мощности излучения матрицы диодных лазерных линеек.
В настоящее время известны различные способы и устройства, предназначенные для охлаждения матриц лазерных диодов.
К примеру, в патенте США №10763640 (опубл. 01.09.2020) и в заявке США №2020/0280167 (опубл. 03.09.2020) описаны матрицы лазерных диодов, размещенные на теплоотводах (теплообменниках) особой формы, охлаждаемых протекающей внутри теплообменника жидкостью. В патенте РФ №2130221 (опубл. 10.05.1999) описана матрица лазерных диодов, в которой линейки лазерных диодов размещены на боковых поверхностях трапецеидальных призм, выполненных на верхней поверхности теплообменника. В этих технических решениях теплообмен происходит путем отвода тепла с нижней поверхности теплообменника, т.е. имеет место резкая неравномерность отвода тепла от линейки лазерных диодов с одной стороны линейки к теплоотводу.
В патенте РФ на полезную модель №80071 (опубл. 20.01.2009) описана конструкция самого теплообменника, содержащая две сообщающиеся решетки щелевых микроканалов, проходящих в одной из этих решеток перпендикулярно микроканалам в другой решетке. Сходное решение представлено в патенте РФ №2399130 (опубл. 10.09.2010), где микроканальная система охлаждения обеспечивает сложную циркуляцию охлаждающей жидкости в теплообменнике. Недостаток у этих решений также состоит в резкой неравномерности отвода тепла от линейки лазерных диодов с одной стороны линейки к теплоотводу.
Наиболее близкий аналог описан в патенте РФ №2712764 (опубл. 31.01.2020). Согласно этому документу двумерная матрица лазерных диодов содержит две подложки, между которыми установлены параллельно друг другу линейки лазерных диодов с образованием между соседними линейками лазерных диодов параллельных каналов для пропускания теплоносителя, обеспечивающего охлаждение линеек лазерных диодов с двух боковых сторон, параллельных плоскости, в которой сформированы лазерные диоды в каждой линейке. Эффективность такого охлаждения существенно выше, чем у отмеченных аналогов, поскольку теплоотвод обеспечивается с гораздо большей поверхности. Однако при однонаправленных потоках в соседних каналах наблюдается значительный перепад температуры по излучающей апертуре лазерных линеек, вследствие чего уменьшается однородность распределения мощности и спектра по излучающим кластерам лазерных диодов, а в результате падает суммарная мощность матрицы и значительно уширяется огибающая спектра излучения. Кроме того, крайние линейки лазерных диодов в матрице охлаждаются только с одной своей стороны.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога для достижения технического результата в виде получения повышенной мощности излучения матрицы лазерных диодов за счет более эффективного их охлаждения.
Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ охлаждения двумерной матрицы лазерных диодов, включающей в себя две подложки, между которыми установлены параллельно друг другу линейки лазерных диодов с образованием между соседними линейками лазерных диодов параллельных каналов для пропускания теплоносителя, в котором теплоноситель в соседних каналах пропускают во встречных направлениях.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что параллельно крайним линейкам лазерных диодов могут устанавливать первую и вторую упрочняющие пластины с образованием двух дополнительных параллельных каналов для пропускания теплоносителя.
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что могут обеспечивать турбулентное протекание теплоносителя по параллельным каналам.
Наконец, еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что одну или обе подложки могут выполнять из активного твердотельного лазерного материала с кристаллической или керамической структурой.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для охлаждения двумерной матрицы лазерных диодов, включающей в себя две подложки, между которыми установлены параллельно друг другу линейки лазерных диодов с образованием между соседними линейками лазерных диодов параллельных каналов для пропускания теплоносителя, содержащее первые и вторые трубопроводы подвода теплоносителя и первые и вторые трубопроводы отвода теплоносителя, причем первые трубопроводы подвода теплоносителя и вторые трубопроводы отвода теплоносителя подсоединены с чередованием к одним концам параллельных каналов, а первые трубопроводы отвода теплоносителя и вторые трубопроводы подвода теплоносителя подсоединены с чередованием к другим концам параллельных каналов, входы всех трубопроводов подвода теплоносителя подключены к выходу подающего насоса, вход которого соединен с резервуаром теплоносителя, снабженного средством термостабилизации, выходы всех трубопроводов отвода теплоносителя соединены с накопителем отработанного теплоносителя.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что оно может дополнительно содержать первую и вторую упрочняющие пластины, установленные параллельно крайним линейкам лазерных диодов с образованием двух дополнительных параллельных каналов для пропускания теплоносителя, к которым подсоединены соответствующие трубопроводы.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что вход каждого из всех трубопроводов подвода теплоносителя может быть снабжен средством создания турбулентности потока.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата в третьем объекте настоящего изобретения предложен коннектор, предназначенный для циркуляции теплоносителя в параллельных каналах двумерной матрицы лазерных диодов, содержащий корпус со стыковочным фланцем, имеющим отверстия, совпадающие по положению с параллельными каналами, к каждому из отверстий в корпусе выполнен отдельный трубопровод, причем концы нечетных и четных трубопроводов разведены, соответственно, к первому и второму соединительным фланцам, разнесенным в разных плоскостях.
Другая особенность коннектора по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что каждое нечетное либо каждое четное из всех отверстий стыковочного фланца может быть снабжено средством создания турбулентности потока.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одним и тем же элементам присвоены одинаковые ссылочные позиции.
На Фиг. 1 показана в изометрии двумерная матрица линеек лазерных диодов, для охлаждения которой предназначено данное изобретение.
На Фиг. 2 матрица по Фиг. 1 показана с торцов линеек лазерных диодов.
На Фиг. 3 показана в изометрии одна линейка лазерных диодов.
На Фиг. 4 приведена схема устройства для охлаждения матрицы лазерных диодов по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 5 показан в изометрии вид коннектора по третьему объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 6-8 условно показаны распределения температуры по площади линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 3, для случаев, соответственно, однонаправленного ламинарного потока, однонаправленного турбулентного потока и разнонаправленных потоков.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее изобретение предназначено в первую очередь для использования в матрице линеек лазерных диодов по патенту РФ №2712764, однако может быть применено и в других подобных матрицах.
На Фиг. 1 показано выполнение матрицы 20 лазерных диодов. Такая матрица лазерных диодов набирается из линеек 1 лазерных диодов (далее по тексту используется название «линейка»). Каждая линейка 1 состоит из полупроводниковых слоев и содержит р-n переход. Линейка 1 изготавливается по планарному циклу из полупроводниковых лазерных гетерострук-тур, например, на основе AlGaAs/GaAs, с излучением на длине волны 808 нм, или на основе InGaAs/AlGaAs, с излучением на длинах волн 980 или 940 нм. Линейка 1 содержит излучающие кластеры 4 (Фиг. 3). Линейки 1 металлизированы по их широким сторонам, одна из которых (видимая на Фиг. 1 и 3) является стороной р-типа проводимости, а другая - стороной n-типа проводимости. Линейки 1 имеют строго одинаковую длину резонатора между противоположными узкими сторонами (нижней и верхней на Фиг. 1 и 3). С этой целью они изготавливаются в одном технологическом цикле с помощью установки для скрайбирования и скола (Scriber-Breaker), например, фирмы Dynatek (США). При этом на одной из узких сторон (нижней на Фиг. 3) каждой линейки 1 может быть нанесено глухое зеркало с коэффициентом отражения не менее 0,95, а на противоположной узкой стороне (верхней, видимой на Фиг. 3) нанесено выходное зеркало (условно не показано) с коэффициентом отражения примерно 0,03-0,1 (типично 0,05). Такие линейки лазерных диодов известны, например, из патента РФ №2455739 (опубл. 10.07.2012).
2
3
В таком варианте устройства излучение лазерных диодов выводится с одной стороны матрицы 20, через верхнюю подложку 3 на Фиг. 1 и 2. Нижняя подложка 2 и верхняя подложка 3 могут быть изготовлены из прозрачного материала, такого как сапфир (АlO). Верхняя подложка 3 в отдельности, либо обе подложки 2 и 3, могут быть плоской стороной или плоской гранью активного твердотельного лазерного элемента, состоящего из кристаллического или керамического материала, такого как YAG, ILF и т.д., легированного ионами редкоземельных элементов (Nd, Er, Yb.…). Активные твердотельные лазерные элементы могут иметь форму параллелепипеда, диска или стержня с одной или несколькими плоскими гранями, к которым примыкают накачивающие такой элемент своим излучением лазерные линейки 1. Оба зеркала резонатора каждой лазерной линейки 1 могут иметь близкие по значению или одинаковые коэффициенты отражения. В этом случае вывод излучения из матрицы 20 производится с двух сторон, через подложки 2 и 3, как показано на Фиг. 1 и 2 ссылочными позициями 8.1 и 8.2. Преимуществом варианта с равными коэффициентами отражения зеркал, и соответственно, симметричным двусторонним выводом излучения является возможность получения более высокой суммарной внешней дифференциальной квантовой эффективности линеек 1 благодаря более однородному распределению инверсии по длине резонатора.
Описанные линейки 1 устанавливаются между первой и второй подложками 2, 3 выполненными из материала, прозрачного для излучения лазерных кластеров 4, либо из активного твердотельного лазерного материала. В принципе, материал обеих подложек 2, 3 может быть прозрачным и для других излучений. На одной поверхности каждой из этих подложек 2, 3 формируется структура металлизации в виде параллельных полосок 5 с заданными шириной и шагом между ними (Фиг. 2). В варианте с односторонним выводом излучения, линейки 1 устанавливают одноименными зеркалами на соответствующих подложках 2 и 3. В таком варианте, глухие зеркала всех линеек 1 размещают на первой подложке 2, а выходные зеркала всех линеек 1 размещают на второй подложке 3 (или наоброт). В другом варианте, при двустороннем выводе излучения, зеркала линеек, размещенные на подложках 2 и 3, имеют близкие или одинаковые коэффициенты отражения.
В результате, после скрепления металлизированных широких сторон линеек 1 с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3 образуется последовательная электрическая цепь из всех линеек 1, где сторона р-типа проводимости одной из линеек 1 соединена со стороной n-типа проводимости соседней линейки 1. На Фиг. 1 и Фиг. 2 ссылочными позициями 6 и 7 обозначены внешние выводы получившейся последовательной цепи, предназначенные для подключения положительного и отрицательного потенциалов напряжения питания соответственно к сторонам «р» и «п» типа проводимости в линейках 1.
Упомянутое выше скрепление металлизированных широких сторон линеек 1 с металлизированными полосками 5 на подложках 2 и 3 может осуществляться пайкой либо сваркой, как это известно специалистам. Пайка может осуществляться нагревом, либо внешним лазером через подложку 2, если ее материал прозрачен для излучения используемого внешнего лазера. При скреплении методом сварки обеспечивается упрочнение скрепления, а также более качественное присоединение линеек 1 к подложкам 2 и 3. Пайку или сварку могут также производить внешним лазером с помощью волоконных световодов, введенных в каналы между соседними линейками 1 лазерных диодов.
На Фиг. 1 ссылочные позиции 9.1 и 9.2 обозначают направление втекания теплоносителя в чередующихся каналах между соседними линейками 1 лазерных диодов, а ссылочными позициями 10.1 и 10.2 обозначено направление вытекания теплоносителя после прохождения по соответствующим каналам. При этом ссылочные позиции 9.1 и 10.1 относятся, например, к нечетным каналам, а ссылочные позиции 9.2 и 10.2 - к четным (или наоборот). В качестве теплоносителя могут использоваться непроводящие и химически инертные жидкости, в том числе жидкости с низкой температурой кипения, применяемые для прямого охлаждения электронных компонентов, а также инертные газы, в частности гелий.
3
5
2
3
Следует отметить, что эффективность отвода тепла от крайних лазерных линеек 1 в матрице 20, конструкция которой показана на Фиг. 1 и 2, ниже, чем для остальных линеек 1, поскольку крайние линейки охлаждаются в матрице 20 только с одной, внутренней стороны. Кроме того, прочность показанной конструкции может оказаться недостаточной при требуемой подаче теплоносителя под давлением. Причина этого в том, что прочность показанной конструкции матрицы 20 обеспечивается пайкой или сваркой металлизированных дорожек на подложках 2 и 3 с металлизацией на поверхности лазерных кристаллов, изготовленных из полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые лазерные гетероструктуры, в частности на основе соединений АВ, значительно уступают по прочности конструктивным элементам из металлов и диэлектриков, а их излучательные параметры, надежность и срок службы зависят от величины термоупругих напряжений. Поэтому в конструкцию матрицы 20 могут быть внесены упрочняющие пластины 11.1 и 11.2, например, из сапфира (АlO), с обеих сторон от крайних линеек 1 лазерных диодов (Фиг. 1 и 2). Упрочняющие пластины 11 имеют высоту, равную длине резонатора лазерных линеек 1 (вертикальный размер линейки 1 на Фиг. 3), и являются внешней стенкой дополнительного параллельного канала для крайней линейки 1 в матрице, а также усиливают механическую прочность конструкции при сборке матрицы 20.
На Фиг. 4 приведена схема устройства для охлаждения матрицы 20 лазерных диодов. На этом чертеже ссылочные позиции 9.1 и 9.2, обозначающие направления втекания теплоносителя, проставлены рядом, соответственно, с первыми и вторыми трубопроводами подвода теплоносителя, а ссылочные позиции 10.1 и 10.2, обозначающие направления вытекания теплоносителя, проставлены рядом, соответственно, с первыми и вторыми трубопроводами отвода теплоносителя. Одноименные трубопроводы подвода и отвода теплоносителя (к примеру, правые на Фиг. 4 ссылочные позиции 9.1 и 10.1) подсоединены к одному и другому концам одного и того же канала между линейками 1 либо между крайней линейкой 1 и упрочняющей пластиной 11. При этом трубопроводы 9.1 и 9.2 подвода теплоносителя подсоединены к каналам между линейками 1 с чередованием: первые трубопроводы 9.1 подвода теплоносителя могут быть присоединены с одной стороны к нечетным каналам, а вторые трубопроводы 9.2 подвода теплоносителя в этом случае присоединяются к четным каналам, но с противоположной стороны. Аналогично подсоединены первые и вторые трубопроводы 10.1 и 10.2 отвода теплоносителя, но с других сторон соответствующих каналов.
Выходы всех трубопроводов 10.1 и 10.2 отвода теплоносителя соединены с накопителем 21 отработанного теплоносителя. В принципе отработанный теплоноситель после его пропускания по каналам матрицы 20 может удаляться на утилизацию, однако целесообразнее пускать его в повторное использование. Поэтому на Фиг. 4 накопитель 21 отработанного теплоносителя показан соединенным с резервуаром 22 теплоносителя, к которому подключен вход подающего насоса 23, обеспечивающего подачу теплоносителя на первый и второй трубопроводы 9.1 и 9.2 подвода теплоносителя. Резервуар 22 теплоносителя может быть снабжен средством охлаждения (так называемым чиллером) для доведения температуры теплоносителя до значения, требуемого для охлаждения линеек 1.
На Фиг. 5 показан в изометрии вид возможной конструкции коннектора, обеспечивающего подачу теплоносителя в каналы между линейками лазерных диодов с чередованием через один с разных сторон. На Фиг. 5 показаны два таких коннектора с обеих сторон матрицы 20. Каждый коннектор имеет стыковочный фланец (не показано) для присоединения к каналам с одной стороны матрицы 20 и два соединительных фланца для подключения трубопроводов подвода и отвода теплоносителя. При этом к одному соединительному фланцу левого коннектора, например, отходящему влево на Фиг. 5, присоединены первые трубопроводы 9.1 подвода теплоносителя, а к другому, отходящему вниз, присоединены вторые трубопроводы 10.2 отвода теплоносителя. Как уже отмечено, трубопроводы 9.1 подвода и 10.2 отвода теплоносителя соединены с чередующимися трубопроводами внутри левого коннектора. Правый коннектор выполнен аналогично, но к его первому соединительному фланцу, отходящему вправо на Фиг. 5, присоединены вторые трубопроводы 9.2 подвода теплоносителя, а к его второму соединительному фланцу присоединены первые трубопроводы 10.1 отвода теплоносителя. Специалистам, однако, понятно, что конкретные конструкции коннекторов - при условии чередования трубопроводов от стыковочного фланца к соединительным фланцам - могут быть и иными. К примеру, трубопроводы внутри коннектора, идущие к разным соединительным фланцам, могут быть развернуты под другими углами в вертикальной и (или) горизонтальной плоскостях.
На Фиг. 5 направления протекания теплоносителя показаны разными пунктирными линиями: одна, с более частыми штрихами - в каналах между первыми трубопроводами 9.1 подвода теплоносителя и первыми трубопроводами 10.1 отвода теплоносителя, а другая, с более редкими штрихами - в каналах между вторыми трубопроводами 9.2 подвода теплоносителя и вторыми трубопроводами 10.2 отвода теплоносителя. Трубопроводы одной группы (к примеру, 9.1) объединяются далее (не показано на Фиг. 5) в единый трубопровод для соответствующего подсоединения к подающему насосу 23 или накопителю 21 отработанного теплоносителя.
На Фиг. 6-8 показаны расчетные поля температур охлаждаемых линеек 1 лазерных диодов для разных потоков теплоносителя. На всех этих чертежах вертикальная шкала справа условно показывает значения температуры. Фиг. 6 соответствуют ламинарному течению потока при направлениях потока справа-налево. Как видно на Фиг. 6, правый конец линеек 1 лазерных диодов охлажден в большей степени, нежели левый конец, где теплоноситель выходит из канала. При непрерывной мощности излучения линеек 1, равной 100 Вт, и ширине канала 100 мкм максимальная температура на выходе из канала составляет более 55°С. При турбулентном протекании теплоносителя (Фиг. 7) максимальная температура на выходе из канала не превышает 40°С, однако неравномерность в распределении температур сохраняется.
Фиг. 8 иллюстрирует случай турбулентного режима встречных потоков в соседних каналах. Такой режим позволяет повысить однородность профиля температуры по сравнению с однонаправленными потоками. При этом максимальная температура в центре линеек 1 лазерных диодов повышается незначительно. Таким образом, при работе матрицы 20 лазерных диодов охлаждающую среду в виде жидкости или газа пропускают в промежутки между параллельными линейками 1 лазерных диодов. Благодаря этому линейки 1 эффективно охлаждаются с двух сторон равномерно по всей поверхности металлизации (боковые стороны линейки 1, одна из которых, имеющая наибольшую площадь поверхности, видна на Фиг. 3).
Для обеспечения турбулентного режима протекания теплоносителя по каналам между линейками 1 лазерных диодов на выходе трубопроводов 9.1 и 9.2 подвода теплоносителя могут размещаться различные средства. Это может быть сужение в сечении трубопровода, либо размещение свернутой случайным образом полоски фольги, либо перекрытие части канала перемычкой, либо любое иное средство, создающее некоторую преграду для потока теплоносителя, в результате чего нарушается ламинарное течение этого потока по трубопроводу.
2
Настоящее изобретение обеспечивает повышение мощности излучения и плотности мощности излучения, причем как в непрерывном режиме генерации, так и пиковой и средней плотности мощности излучения в импульсном режиме генерации за счет более эффективного и однородного непосредственного охлаждения линеек 1 лазерных диодов потоком жидкости или газа в каналах заданной оптимальной ширины. При этом упрощается конструкция матрицы 20, повышается ее надежность, снижаются габариты и материалоемкость, исключается применение дорогостоящих в обработке и металлизации теплоотводящих элементов. Тем самым повышается выход годных изделий и их надежность, в том числе вследствие исключения высокотемпературных операций монтажа линеек на теплоотводящие элементы, что является причиной возникновения термоупругих напряжений, как в результате операций сборки, так и вследствие неоднородного нагрева линеек и теплоотводящих элементов в рабочем режиме. Матрица 20 обладает повышенной оптической стойкостью зеркал резонаторов благодаря их охлаждению через примыкающие к ним подложки 2 и 3, вследствие чего повышаются предельная и ресурсная мощность, а также доступная для накачки плотность оптической мощности. Благодаря разнонаправленным турбулентным потокам охлаждающей среды в соседних каналах достигается повышение эффективности охлаждения и равномерности распределения температуры по площади лазерных линеек, что повышает надежность и срок службы матрицы 20 при более высоких уровнях излучаемой мощности. Согласно расчетам, плотность мощности в непрерывном режиме генерации может составить около 5 кВт/см, что более чем на порядок превосходит существующие аналоги.