Диодная накачка

Полезная модель относится к области создания устройств диодной накачки (полупроводниковой накачки).
Полупроводниковые лазерные диоды и решетки лазерных диодов имеют множество преимуществ. Одним из преимуществ является малый размер полупроводниковой накачки лазерных диодов. Внутренние отражающие поверхности, создающие излучение в одном направлении, формируются путем скалывания подложки, из которой изготовлены лазерные диоды, и, таким образом, обладают высокой механической стабильностью.
Внешняя квантовая эффективность лазерных диодов и решеток лазерных диодов достигает 70%. Полупроводниковые лазерные диоды и решетки лазерных диодов обеспечивают генерацию лазерного излучения в диапазоне от ~ 0,7 мкм до ~ 20 мкм в зависимости от используемого полупроводникового сплава. Например, лазерные диоды, изготовленные из арсенида галлия с легированием алюминием (AlGaAs), излучают излучение с длиной волны ~ 800 нм, что близко к спектру поглощения обычных твердотельных лазерных стержней и пластин, изготовленных из легированных неодимом. Иттрий-алюминиевый гранат («Nd:YAG») и другие кристаллы и стекла. Таким образом, полупроводниковые лазерные диоды и решетки лазерных диодов могут использоваться в качестве источника оптической накачки для более крупных твердотельных лазерных систем.
Применение полупроводниковых лазерных диодов и решеток лазерных диодов Ограничено большим тепловыделением на единицу площади лазерных диодов и РЛД, что приводит к повышенным температурам перехода и напряжениям, вызванным термоциклированием. Эффективность лазерного диода (решетки лазерных диодов) и срок службы уменьшаются по мере увеличения рабочей температуры в p-n-переходе.
Кроме того, длина волны излучения лазерного диода и решетки лазерных диодов зависит от температуры его перехода. Таким образом, когда требуется определенная длина волны на выходе, важно поддерживать постоянную температуру перехода. Например, AlGaAs лазерные диоды и решетки лазерных диодов, которые используются для накачки стержня или пластины Nd:YAG, должны обеспечивать генерацию лазерного излучения ~ 808 нм, вследствие оптимального поглощения энергии Nd:YAG на данной длине волны.
На каждые 3,5°С - 4,0°C отклонения температуры p-n-перехода лазерного диода AlGaAs длина волны смещается на 1 нм. Соответственно, контроль температуры p-n-перехода и, таким образом, эффективно рассеивание тепла имеет решающее значение.
В момент накачки лазерного активного элемента лазерными диодами и решетками лазерных диодов, рассеяние тепла становится более проблематичным, поскольку становится необходимым плотно упаковать множество отдельных диодов в массивы, которые генерируют необходимое количество мощности для более крупного твердотельного лазерного стержня или слэба. При увеличении плотности упаковки отдельных лазерных диодов и решеток лазерных диодов, пространство, доступное для отвода тепла от отдельных лазерных диодов и решеток лазерных диодов, уменьшается. Это усугубляет проблему отвода тепла от массива лазерных диодов и решеток лазерных диодов.
В одном из типов системы охлаждения корпуса лазерных диодов (решеток лазерных диодов) используются микроканальные охладители, изготовленные из металлов, например, меди. Эти корпуса лазерных диодов имеют небольшие размеры, например, 1-2 мм толщиной, и через них проходят небольшие водяные каналы. Водяные каналы проходят близко к источнику тепла (т. е. лазерному диоду), что обеспечивает эффективную теплопередачу. Поскольку типичные канальные охладители изготавливаются из меди, электрический ток и водяной хладагент находятся в одном физическом пространстве. Следовательно, охлаждающая вода должна быть деионизирована. Тем не менее, использование деионизированной воды требует, чтобы все части, которые подвергаются воздействию воды, были из стекла, пластика, нержавеющей стали или с золотым покрытием. Детали, изготовленные не из этих материалов, обычно быстро изнашиваются из-за проблем с эрозией и коррозией. Соответственно, главная проблема, связанная с современными микроканальными охладителями, заключается в том, что они требуют сложной и дорогой системы деионизированной воды и дополнительную обработку частей радиатора, взаимодействующих с хладагентом, что в свою очередь не гарантирует долгосрочную наработку полупроводниковой накачки.
Таким образом, существует потребность в канальной системе охлаждения лазерного диода, которая обеспечивает эффективную теплопередачу и исключает нахождение в одном физическом пространстве электрический ток и водяной хладагент.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является керамический охладитель на лазерном диоде (Патент US 8345720 B2), в котором пакет лазерного диода включает в себя лазерный диод, охладитель и схему управления, такую как интегральная схема. Лазерный диод используется для преобразования электрической энергии в оптическую энергию. Охладитель получает и направляет охлаждающую жидкость от источника охлаждения по внутренним каналам. Охладитель включает в себя множество керамических листов. Керамические листы сплавлены вместе. Керамические листы включают в себя дорожки или переходы, которые обеспечивают электропроводящие пути к интегральной схеме. Схема управления управляет выходной мощностью лазерного диода, например, выходной мощностью каждого из излучателей лазерного диода. Несколько пакетов лазерных диодов помещаются вместе, образуя массив.
Задачей полезной модели является создание конструкции, исключающей процессы эрозии и коррозии каналов для прохождения хладагента, а также обеспечивающей эффективную теплопередачу с учетом оптимального согласования в конструкции значений коэффициентов теплового расширения (минимизирующая механическую нагрузку на лазерный диод во время работы) методом подбора толщин применяемых в сборке слоев и выбора профиля сечения каналов в контактной пластине-макроканальном радиаторе.
Технический результат заключается в повышении эрозионной и коррозионной стойкости при эффективной теплопередаче (с учетом оптимального согласования в конструкции значений коэффициентов теплового расширения (минимизирующая механическую нагрузку на лазерный диод во время работы) методом подбора толщин применяемых в сборке слоев и выбора профиля сечения каналов в контактной пластине-макроканальном радиаторе) и сохранении компактности сборки на базе цельного макроканального керамического контактной пластины, исключающей паянные соединение или сплавление множества керамических слоев, что в свою очередь повышает надежность конструкции.
Заявленная полезная модель поясняется чертежом: фиг. 1, 2 - послойная конструкция решетки лазерных диодов. Позициями на чертежах обозначены: 1 - набор лазерных диодов; 2 - контактная пластина-макроканальный радиатор; 3 - электрические контакты (анод); 4 - изолятор; 5 - электрические контакты (катод); 6 - уплотнительные кольца; 7 - решетка лазерных диодов.
Диодная накачка включает в себя набор лазерных диодов 1 (фиг. 1, 2), контактную пластину-макроканальный радиатор 2, изолятор 4 и электрические контакты 3 и 5. Лазерные диоды 1 используются для преобразования электрической энергии в оптическую. Впускные отверстия в контактной пластине-макроканальном радиаторе 2, изоляторе 4 и электрических контактах 5 и 3 принимают и направляют хладагент от источника охлаждения по каналам. Контактная пластина-макроканальный радиатор 2 представляет собой цельный керамической слой. Электрические контакты 3 обеспечивают соединение цепи для формирования решетки лазерных диодов. Один из электрических контактов сплавлен с керамической контактной пластиной-макроканальным радиатором 2. Электрические контакты 3 и 5 сплавлены с лазерными диодами 1. Изолятор 4 сплавлен между электрических контактов 3 и обеспечивает их разделение.
Впускные отверстия в цельной контактной пластине-макроканальном радиаторе сформированы сквозными отверстиями, образующими каналы круглого сечения для хладагента. В качестве альтернативного профиля сечения каналов для хладагента, возможно реализовать, например, отверстие с плоскими ребрами охлаждения, отверстие с решетчатой структурой ребер охлаждения или за счет нескольких сквозных отверстий, вписанных в общую окружность. Каждое впускное отверстие решетки лазерных диодов образует индивидуальный канал для прохождения хладагента, соответственно, каждое впускное отверстие может иметь собственные профиля сечения канала для хладагента.
Решетка лазерных диодов имеет впускные отверстия и выравнивающее отверстие. Входные отверстие обычно имеют одинаковый диаметр и форму, и используются, соответственно, для приема хладагента из источника охлаждения. Выравнивающее отверстие расположено в центре между выпускными отверстиями и имеет меньший диаметр. Центральное отверстие используется для выравнивания макроканального охладителя при установке его в сборку с другими макроканальными охладителями. Направляющий штифт вставляется в соответствующие выравнивающие отверстия отдельных корпусов решеток лазерных диодов. Пары уплотнительных колец вставлены в соответствующие входные отверстия для обеспечения прохода охлаждающей жидкости без утечек. Электрические контакты имеют больший диаметр впускных отверстий, что, в свою очередь, позволяет создать посадочное место для уплотнительных колец и обеспечить изоляцию электрических контактов и охлаждающей жидкости. Впускные отверстия изолятора также имеют больший диаметр, сопоставимый с диаметром впускных отверстий в электрических контактах.
Слои решетки лазерных диодов соединяются друг с другом при помощи термического процесса. Материал, из которого изготовлена контактная пластина-макроканальный радиатор не является электрически проводящим, что в свою очередь позволяет обеспечить как электрическую изоляцию, так и тепловую связь между лазерным диодом и охлаждающей жидкостью. Сборка образует впускные каналы для охлаждающей жидкости, позволяющие ей проходить через макроканальный охладитель.
В качестве альтернативы, электрические контакты могут быть изготовлены, например, из материалов на основе вольфрам-медных и молибден-медных сплавов. Электрический контакт (анод) или топология контактного слоя, образующего электрический контакт, могут быть сформированы металлизированными слоями (как одним, так и несколькими) поверх контактной пластины-макроканального радиатора.
В качестве альтернативы, контактная пластина-макроканальный радиатор может быть изготовлена из таких материалов, как, например, алмаз, карбид кремния, оксид бериллия и других подобных материалов. Основной материал контактной пластины-макроканального радиатора выбран исходя из его низкой электропроводности, что необходимо для предотвращения смешивания теплоносителя и электрического тока. Применение материала с низкой электропроводностью для контактной пластины-макроканального радиатора устраняет необходимость использования в системе деионизированной воды. Например, в системе может использоваться любой другой проводящий хладагент.
Применение в сборке материалов с низкой электропроводностью и высокой теплопроводностью с учетом оптимального согласования в конструкции значений коэффициентов теплового расширения (минимизирующая механическую нагрузку на лазерный диод во время работы) методом подбора толщин применяемых в сборке слоев и выбора профиля сечения каналов в контактной пластине-макроканальном радиаторе позволяет обеспечить эффективное теплоотведение и сохранить минимальный шаг между линейками лазерных диодов с высокой плотностью мощности. Таким образом, система обеспечивает высокую теплоотводящую способность, эрозионную и коррозионную стойкость при сохранении компактности сборки.
Соединение электрических контактов двух соседних линеек лазерных диодов обеспечивает образование пути для электрической цепи. Поскольку электрический путь электрически изолирован от пути охлаждающей жидкости, в сборке возможно использовать, например, недеионизированную воду в качестве охлаждающей жидкости.
Линейка лазерных диодов работает следующим образом.
Решетка лазерных диодов (фиг. 2) (7) или набор решеток лазерных диодов выравнивают через центральное отверстие. Направляющий штифт вставляют в соответствующее выравнивающие отверстие решетки лазерных диодов или набора решеток лазерных диодов. Дополнительно, относительно центрального отверстия решетки лазерных диодов, выравниваю входные и выходные фланцы диодной накачки (обеспечивающие соединение каналов решетки лазерных диодов с внешней системой охлаждения), между которыми зажимается решетка лазерных диодов или набор решеток лазерных диодов. Фланцы диодной накачки имеют центральное отверстие, через которое проходит штифт, один из фланцев может иметь резьбовое центральное отверстие. Один из фланцев имеет посадочные места для установки уплотнительных колец, прижатие которых осуществляется решеткой лазерных диодов со стороны контактной пластины-макроканального радиатора (2). Со стороны фланца без посадочных мест для уплотнительных колец допускается установка изоляционного слоя, с целью исключения распространения электрической цепи на фланец. Сформированная сборка образует общие каналы для прохождения хладагента. Герметичность соединений обеспечивается за счет установленных уплотнительных колец (6) в посадочные места, образованные большими диаметрами в электрическом контакте (анод) (3), изоляторе (4) и электрическом контакте (катод) (5), на каждой решетке лазерных диодов. Сжатие уплотнительных колец (6), установленных в посадочные места на решетке лазерных диодов, обеспечивается за счет прижатия последующей решетки лазерных диодов со стороны контактной пластины-макроканального радиатора (2), в случае набора решеток лазерных диодов, и фланца без уплотнительных колец (или только фланцем, при размещении между фланцами одной решетки лазерных диодов (7)). При помощи резьбового центрального отверстия в одном из фланцев и одной шестигранной гайки или двух шестигранных гаек осуществляется затяжка гаек (с внешних сторон фланцев) для обеспечения прохода охлаждающей жидкости от внешней системы охлаждения по образованным каналам сборки и обратно без утечек с учетом определенного момента затяжки.
Подача электрического питания осуществляется на электрические контакты решетки лазерных диодов (3 и 5) от внешнего источника питания в соответствии с полярностью, в случае подключения одной решетки лазерных диодов в сборке. В качестве примера, подача электрического питания возможна при помощи пайки контактных клемм внешнего источника питания к электрическим контактам (3 и 5) решетки лазерных диодов в соответствии с полярностью. В случае набора решеток лазерных диодов в сборке подача положительного потенциала от внешнего источника питания осуществляется на электрический контакт (анод) (3) первой решетки лазерных диодов со стороны фланца с посадочными местами для уплотнительных колец, отрицательный потенциал - на электрический контакт (катод) (5) последней решетки лазерных диодов в сборке. Начиная с первой решетки лазерных диодов со стороны фланца с посадочными местами для уплотнительных колец, электрический контакт (катод) (5) первой решетки лазерных диодов соединяется с электрическим контактом (анод) (3) следующей решетки лазерных диодов, например, при помощи пайки. Соединение разноименных электрических контактов (3 и 5) соседних решеток лазерных диодов продолжается по аналогичному методу, отраженному выше, для всего набора решеток лазерных диодов с целью образования последовательной и замкнутой электрической цепи.
Допускается подача электрического питания на входные и выходные фланцы диодной накачки. В случае подачи электропитания на входные и выходные фланцы диодной накачки со стороны фланца без посадочных мест для уплотнительных колец должен быть исключен изоляционный слой, к фланцу с посадочными места для уплотнительных колец необходимо присоединить электрический контакт (3) решетки лазерных диодов, прижатой через уплотнительные кольца к данному фланцу, например, при помощи пайки. Электрическая клемма от внешнего источника питания с положительным потенциалом подключается к фланцу с посадочными места для уплотнительных колец, клемма с отрицательным потенциалом - к фланцу без посадочных мест для уплотнительных колец.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Таким образом, сборка устраняет необходимость использования деионизированной воды и обеспечивает высокую охлаждающую способность за счет использования неэлектропроводного материала для направления охлаждающей жидкости. В отличие от стандартных медных (коэффициент теплового расширения (КТР) ~ 16⋅10°С) и керамических (КТР ~ 4,6⋅10°С) макроканальных охладителей, керамическая сборка с подобранной толщиной медного электрического контакта («анод») или контактного слоя по настоящему изобретению также снижает механическую нагрузку на лазерный диод во время работы. Это связано с тем, что керамическая контактная пластина-макроканальный радиатор или контактная пластина-макроканальный радиатор из альтернативного материала (алмаз, карбид кремния, оксид бериллия и других подобных материалов) с подобранной толщиной медного (или слоя на основе вольфрам-медных и молибден-медных сплавов и других подобных материалов) электрического контакта («анод») или контактного слоя, сформированного металлизированными слоями (как одним, так и несколькими) поверх контактной пластины-макроканального радиатора, позволяют достичь коэффициента теплового расширения, более близкие к значению коэффициента теплового расширения (КТР ~ 6⋅10°С) основного материала (арсенид галлия) лазерных диодов, и обеспечить эффективную теплопередачу конструкции.