МАТРИЦА ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

Полезная модель относится к полупроводниковой лазерной технике, в частности, к конструкциям линеек и матриц лазерных диодов и может быть использована в системах волоконно-оптической связи, обработки материалов, мониторинге окружающей среды и т.п.
Известны различные одномерные и двухмерные структуры, объединяющие лазерные диоды в единый излучатель (см., например, П.Г.Елисеев. «Введение в физику инжекционных лазеров», М. «Наука», 1983 г.). Недостатком устройств, содержащих группу лазерных диодов, является необходимость эффективного отвода тепла от их поверхности.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятой за прототип является устройство, состоящее из охлаждаемой поверхности теплообменника с прямоугольными призмами, к поверхности каждой из которых прикреплены излучающие элементы, содержащие GaAs - подложку, теплоотводящую пластину и активный излучающий объем (Патент США №5128951, опубл. 07 июля 1992 г.). Все излучающие элементы электрически соединены с источником питания монтажными проводами. Несмотря на сравнительно благоприятные условия для отвода тепла, такая конструкция не позволяет получить высокую плотность излучения и долговечность работы из-за недостаточного теплоотвода (мала площадь контакта поверхности граней прямоугольных призм с теплообменником) и сложности электрической коммутации излучающих элементов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение плотности и однородности излучения матрицы лазерных диодов, а также удешевление всей конструкции.
Поставленная задача решается благодаря достижению технического результата, который заключается в повышении эффективности теплообмена, а также в обеспечении упрощения электрической коммутации линеек лазерных диодов и автоматизации процесса сборки.
Данный технический результат при реализации предлагаемой полезной модели достигается тем, что в матрице лазерных диодов, состоящей из теплообменника с призмами, к поверхностям боковых граней которых на подложках закреплены электрически соединенные между собой линейки лазерных диодов, призмы выполнены трапецеидальными, образуют единое целое с теплообменником и расположены на равном расстоянии друг от друга по всей поверхности теплообменника. Верхняя поверхность теплообменника покрыта послойно теплопроводной и металлической токопроводящей пленками, каждая толщиной от 50 мкм до 200 мкм, причем, в зависимости от типов проводимости лазерных диодов и их электрического их соединения металлическая токопроводящая пленка выполнена с разрывами на вершинах трапецеидальных призм или во впадинах между ними. Закрепление лазерных диодов на боковых поверхностях трапецеидальных призм осуществлено с помощью низкотемпературного припоя, а подложки линеек лазерных диодов в каждой впадине между призмами попарно соединены V-образными токопроводящими шинами.
Если к боковым граням трапецеидальных призм припаяны линейки лазерных диодов с проводимостью n-типа, то, например, для обеспечения параллельно-последовательного электрического соединения линеек лазерных диодов токопроводящие пленки разорваны на вершинах трапецеидальных призм, а каждая V-образная токопроводящая шина предыдущей впадины соединена проводником с токопроводящей металлической пленкой следующей впадины.
Кроме того, лазерные диоды n-типа проводимости возможно соединять и только последовательно, однако в этом случае линейки лазерных диодов припаяны только к одной грани каждой призмы, а каждая V-образная электрически соединена с металлизированном покрытием грани предыдущей призмы. Это несколько снижает яркость источника, но значительно упрощает схему электрических соединений.
Кроме того, возможно также, чтобы к боковым поверхностям трапецеидальных призм были припаяны линейки лазерных диодов попеременно n- и р-типов проводимости, при этом вообще не требуется навесной монтаж. В обоих последних случаях, для обеспечения последовательного соединения токопроводящая металлическая пленка выполнена с разрывами во впадинах между призмами.
Кроме того, теплообменник может быть выполнен из микропористого теплопроводного материала, а вся матрица может быть собрана и спаяна одновременно на одном шаблоне.
Кроме того, теплообменник может быть выполнен по микроканальной схеме.
Предложенная конструкция обеспечивает плотную упаковку линеек лазерных диодов и высокую плотность излучения матрицы и позволяет конструктивно просто обеспечить электрическую коммутацию линеек лазерных диодов и долговечность устройства.
Сущность его поясняется чертежом, где на фиг.1-3 представлены три возможных случая электрического соединения лазерных диодов.
Устройство состоит из теплообменника 1 с трапецеидальными призмами 2 покрытыми теплопроводным слоем, на который нанесена металлическая токопроводящая пленка 3. К этой пленке припаяны низкотемпературным припоем лазерные диоды 4, подложки которых соединены V-образными токопроводящими шинами 5. В зависимости от типа проводимости лазерных диодов и вида электрического соединения металлизированное покрытие 3 имеет разрывы в разных местах.
При работе устройства, в случае реализации параллельно-последовательного соединения лазерных диодов 4 с n-типом проводимости (фиг.1) V-образная токопроводящая шина 5 первой слева впадины соединена проводником 6 с металлизированной пленкой 3 на грани второй впадины, а на вершинах трапецеидальных призм 2 обеспечены разрывы пленки 3. Проводник 6 соответствует последовательному соединению параллельно включенных пар диодов 4 каждой впадины.
Фиг.2 иллюстрирует пример последовательного соединения лазерных диодов 4 с n-типом проводимости. При этом металлизированная пленка 3 имеет разрывы во впадинах между призмами 2.
Фиг.3 иллюстрирует пример последовательного соединения лазерных диодов 4 с разным типом проводимости. При этом металлизированная пленка 3 имеет разрывы во впадинах между призмами 2.
Угол при вершине трапецеидальной призмы 2 определен расходимостью излучения лазерных диодов 4. Подбором этого угла может быть обеспечена максимальная однородность излучения на заданном расстоянии от матрицы. Эксперименты показали, что, например, для угла в 60° на длине 1 см можно разместить до 20 линеек лазерных диодов. Ширина поверхности боковой грани трапецеидальной призмы должна быть больше ширины линейки лазерных диодов и составлять величину порядка 1 мм, а толщина слоя металлизации и соединительных шин выбраны такими, чтобы они свободно пропускали токи до 100 А в импульсе длительностью в от 200 мкс до 400 мкс. Эта толщина выбрана в пределах от 50 мкм до 200 мкм. Теплообменник может быть изготовлен из высокотеплопроводного материала с пористой структурой и установлен в корпус, в который вмонтированы вводы для подачи охлаждающей жидкости и контакты электрического питания.