МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к квантовой электронике, к полупроводниковой оптоэлектронике, а именно, к наборным многозлементным полупроводниковым лазерам, управляемым током инжекции и используемым для накачки твердотельных лазеров, в устройствах дальнометрии, медицины и т.д.
В многоэлементном излучателе увеличение мощности излучения достигается её суммированием от лаг.ерных диодов, интегрированных в отдельные линейки лазерных диодов (ЛЛЛ), составленные в двумерную лазерную решетку 1.
Известны лазерные решетки 2, в которых каждая ЛЛД закреплена (припаяна) на соответствуюш,ей прокладке - металлическом теплоотводе. Затем прокладки с ЛЛД объединены в двумерную лазерную решетку при помощи помещения между прокладками с ЛЛД диэлектрических прокладок без ЛЛД. Последние прокладки имеют частичную металлизацию поверхностей для осуществления подвода тока накачки обеих полярностей к контактным поверхностям ЛЛД. Хотя в такой конструкции достигнут достаточно эффективный отвод рассеиваемой тепловой мощ о
ности, однако в ней не обеспечена плотная упаковка ЛЛД, что приводит к недостаточной плотности мощности получаемого лазерного излучения с единицы площади рабочей поверхности решетки.
Наиболее близким по технической сущности обоим вариантам двумерного многоэлементного излучателя на основе набора линеек лазерных диодов является многоэлементный излучатель, включаюшлй, по крайней мере, две линейки лазерных диодов, прокладки с металлизированными поверхностями, по крайней мере, на двух из них выполнена металлизация одного из торцев, вблизи которых на контактных поверхностях закреплены линейки лазерных диодов, а также средства для соединения линеек лазерных диодов в двумерную решетку, йодвода тока и отвода тепла 33.
Для создания одномерного многоэлементного излучателя в известной конструкции ЛЛД закрепляют её контактной поверхностью на первой части металлизации контактной поверхности прокладки, вблизи её металлизированного торца, получая прокладку с ЛДЦ. Противоположный торец прокладки не металлизирован. Противоположная контактная поверхность ЛЛД проволокой соединена со второй частью металлизации на поверхности прокладки, на которой крепят ЛЛД. На той же второй части металлизации прокладки с ЛЛД помещены промежуточные прокладки без ЛЛД только с металлизированными контактными слоями. Торцы этих прокладок не металлизированы. Промежуточные прокладки без ЛЛД выбраны меньшей длины, чем прокладки с ЛЛД и большей толщины, чем высота лазерных диодов в линейке (см. 33, Фиг. 8).
Для создания двумерного многоэлементного излучателя здесь использовано конструктивное объединение нескольких таких одномерных многоэлементных излучателей. Последние размещены внакладку один над другим с использованием указанных промежуточных прокладок без ЛЛД с металлизированными контактньлми слоями. Свободная контактная поверхность промежуточной прокладки без ЛЛД соединена с контактной поверхностью следующей прокладки с ЛЛД, противоположной поверхности крепления ЛЛД. При этом получается многоэтажная плоско-параллельная конструкция. Металлизированные поверхности всех прокладок закреплены между собой. Здесь средства для подвода тока и отвода тепла выполнены в виде металлических (медных) контактных шин, соответственно размещеннььх на верхней и нижней свободных контактных поверхностях прокладок с ЛЛД (внизу) и промежуточных прокладок без ЛЛД (вверху) сборки, с которыми, соответственно, соединены все прокладки с ЛЛД.
Данная конструкция позволяет получить сравнительно высокую плотность лазерного излучения с единицы рабочей поверхности рещетки.
Однако известная конструкция 2 не лишена двух главных недостатков:
1. В связи с разбросом параметров от линейки к линейке лазерных диодов, что связано с неоднородностью и дефектами исходной гетероструктуры, из которой получают ЛЛД, снижается суммщзная эффективность работы всей решетки в целом. Проведение тестирования и отбора ЛЛД по параметрам и надежности является очень сложной технологической операцией
ИВ-за малых размеров ЛДЦ, хрупкости и невозможности обеспечить эффективное подведение электрической мощности и эффективный теплоотвод и при сборке известной конструкции S весьма затруднено.
2, При сборке ЛЛД в лазерную решетку/ в известной конструкции 2 отвод рассеиваемой мощности производится, фактически, только через рабочий объём самих ЛЛД из материалов группы  (например, GaAs) с низкой теплопроводностью, что приводит к образованию градиента температуры по длине резонатора лазерного диода и, как следствие, к сильной зависимости лазерных параметров от температуры.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы решеток при увеличении либо сохранении плотности мощности лазерного излучения с единицы рабочей поверхности рещетки за счет более эффективного отвода тепла, достижение многовариантности отвода тепла, а также упрощение операции сборки, уменьшение габаритов, что приведет к повышению выхода годных.
Предложен первый вариант двумерного многоэлементного излучателя, в котором металлизация контактной поверхности каждой прокладки с линейкой лазерных диодов выполнена сплощной, при этом свободная металлизированная контактная поверхность прокладки с линейкой лазерных диодов закреплена на свободной контактной металлизированной поверхности линейки лазерных диодов.
расположена на свободной стороне контактной поверхности крайней ЛДЦ так, что металлизированный торец прокладки без ЛЛД размещен со стороны крепления ЛЛД.
Предложен второй вариант двумерного многоэлементного излучателя, в котором составлено, по крайней мере, два моноблока, в каждом из которых одна из контактных поверхностей прокладки без линейки лазерных диодов закреплена на свободной контактной поверхности линейки лазерных диодов, причем металлизация контактной поверхности прокладки с линейкой лазерных диодов выполнена сплошной, по крайней мере, на одном из торцев прокладки без ЛЛД дополнительно размещен металлизированный слой и она расположена на свободной контактной поверхности линейки лазерных диодов так, что металлизированный торец прокладки без ЛЛД размещен со стороны крепления линейки лазерных диодов, а для соединения моноблоков в двумерную рещетку свободная металлизированная контактная поверхность прокладки с линейкой лазерных диодов первого моноблока закреплена на свободной метализированной контактной поверхности прокладки без линейка лазерных диодов второго моноблока.
Причем в многозлементном излучателе для улучшения эффективности теплоотвода осуществлен теплоотвод от торцев прокладок. В этом случае ширина обоих типов прокладок не должна превышать длину резонатора лазерных диодов в линейке более, чем в 1,6 раз.
ложных размещению линеек лазерных диодов.
При ширине прокладок не более, чем в 1,6 раз превышающей длину резонатора лазерных диодов в линейке средство для отвода тепла снабжено дополнительным теплоотводом, на холодной поверхности которого размещены торцевые поверхности (металлизированные, либо свободные от металлизации) прокладок, противоположные расположению линеек лазерных диодов.
На Фиг. 1-5 изображены варианты конструкции двумерного излучателя, предложенного в настоящем изобретении, и его элементы.
На Фиг. 1 изображена аксонометрия ЛЛД.
На Фиг. 2 изображена аксонометрия прокладки.
На фиг. 3 изображена аксонометрия первого варианта сборки двумерного многозлементного излучателя на основе набора ЛЛД.
На фиг. 4 изображена аксонометрия одномерного многоэлементного излучателя на основе одной ЛЛД.
На фиг. 5 изображена аксонометрия второго варианта двумерного многоэлементного излучателя на основе набора ЛЛД.
Линейка лазерных диодов 1 (ЛЛД 1), изображенная на Фиг.1, состоит из интегрально выполненных ряда лазерных диодов 2 в гетерострутуре 3 на одной подложке 4 с контактными слоями 5 и 6, соответственно, со стороны гетероструктуры 3 и со стороны подложки 4.
Прокладки 7 и 8 выполнены из изолирующего материала и представляют собой параллелепипед длиной, равной длине ЛДД 1, с нанесенными 3-х или 4-х сторонней металлизацией, причем поверхности, на которых крепятся ЛЛД 1, и противоположные им названы контактными и обозначены S и 10, соответственно, а торцевыми названы поверхности, перпендикулярные контактным либо со стороны крепления ЛЛД 1, либо противоположные им, и обозначены 11 и 12, соответственно.
Конструкция лазерной решетки 13 по первому варианту (см. Фиг.З) состоит из набора прокладок 7 с ЛЛД 1, помещенных друг на друге для создания многоэтажной конструкции. Фактически здесь ЛЛД 1 закреплены между контактными металлизированными поверхностями 9 и 10 смежных прокладок 7. Причем на Фиг. 3 изображен вариант, в котором торцевые поверхности 12 прокладок 7, противоположные расположению ЛДД 1, свободны от металлизации. Для подвода тока и частичного отвода тепла также использованы плоские контактные шины 14 и 15, такие же, как и в прототипе 2.
В конструкции моноблока 16, представленного на Фиг.4, ЛДЦ 1 закреплена между 2-х прокладок 7 и S. Передняя поверхность ЛЛД 1 устанавливается заподлицо с торцевой поверхностью 11 прокладок 7 и 8. На Фиг. 4 показан вариант исполнения средства подвода тока и отвода тепла, аналогичный исполнению в конструкции прототипа 23 (контактные шины 14 и 15 медные, такие же, как в прототипе).
- 7 рические выводы 18 выполнены из меди и подсоединены к металлическим контактным шинам 14 и 15, таким же, как в прототипе S3, используемым для подвода тока и частичного отвода тепла. Этажность конструкции определяется возможностью технологической оснастки. Кроме того, предусмотрен дополнительный отвод тепла от торцев 12 прокладок 7 и 8. Такой отвод тепла, как показали эксперименты, значительно более эффективен при ширине прокладок 7 и 8 не более, чем в 1,5 раз превышающих длину резонаторов лазерных диодов в линейках. Таким дополнительным теплоотводом может быть либо теплопроводящая пластина 19, соединенная с холодной поверхностью, например, термохолодильника 20, либо непосредственно холодная поверхность термохолодильника 20. В случае выбора металлического теплоотвода на торцевые поверхности 12 прокладок 7 и 8, целесообразно наносить слои металлизации. При этом для улучшения теплоотвода данные металлизированные торцевые поверхности 12 припаивают к холодной поверхности теплоотводящего элемента 20, что дополнительно увеличивает и прочность всей конструкции.
Выбор толшдн прокладок-7 и 8 определяется совокупными требованиями, при которых обеспечивается плотная упаковка ЛЛД 1 в лазерной решетке 13, 17 и оптимальный отвод рассеиваемой электрической мощности.
Предложенные варианты сборок ЛЛД 1 в лазерные решетки 13 и 17 (см. Фиг. 3 и 5), вследствие того, что каждую единичную ЛЛД 1 собирают непосредственно между двух металлизированных контактных поверхностей прокладок либо 7 и 7, либо 7 и 8, которые выполнены из материала с высокой теплопро- 8 ВОДНОСТЬЮ и с коэффициентом термического расширения, блиБким к коэффициенту термического расширения материала лазерных диодов (например, использованы SiC, AlN и т.д.). Это позволило значительно эффективнее и успешнее решить тепловую задачу.
Хотя, как показано выше, использование материалов прокладок 7 и 8 для тех же целей известно (см. 2), однако конструктивное решение предложения позволило исключить промежуточные прокладки, имeюш ecя в конструкции прототипа, и одновременно стало возможным в ряде вариантов реализовать трехсторонний отвод тепла, что позволило значительно увеличить эффективность теплоотвода, уменьшить габариты, упростить сборку. Это позволяет использовать сборки лаг-ерных решеток типа 13, 17 со специальными системами отвода тепла, что необходимо для унификации всего блока и упрош,ения использования многоэлементного излучателя в электронных системах различного назначения.
Вследствие создания новой конструкции получено увеличение плотности мошдости лазерного излучения с единицы рабочей поверхности лазерной решетки, повышена эффективность и надежность её работы, улучшена воспроизводимость, качество, производительность сборки, что обеспечивает промышленную применимость новой конструкции.
Примеры конкретного выполнения.
1. Для сборки лазерных решеток 13 (см. Фиг. 3, что соответствует п.п. 1 и 2 формулы изобретения) были выбраны прокладки 7 и одна прокладка 8 из материала SiC (карбид кремния) с трехсторонней металлизацией Mo+Ni при толщине
- 9 слоев Mo (0,8...1,0)мкм и Ni (1,0...3,0) мкм и трехстороннем нанесении слоя припоя In толщиной (4,0+-1,0) мкм. Прокладки 7 выбраны длиной (10,0+0,2) мм, толщиной (0,2-1-0,05) мм и шириной (0,7-f-0,05) мм. При этом ЛЛД 1 выполнены длиной (10,0+-0,1) мм, толщиной (0,08+-0,01) мм и шириной (500+-10) мкм. Соотношение ширины прокладок 7 и длины резонаторов лазерных диодов в линейках 1 составило 1,4...1,6.
Лазерная решетка 13 была изготовлена из десяти ЛЛД 1, установленных на контактные поверхности 9 прокладок 7. Каждая из свободных контактных поверхностей 10 прокладок 7 напаяна последовательно на свободные контактные поверности ЛЛД 1. Последняя ЛЛД 1 припаяна свободной контактной поверхностью к прокладке без ЛЛД 8, соединенной с контактной шиной 14. Первая прокладка с ЛЛД 7 установлена на другой контактной шине 15. После введения в рабочий режим со сборки лазерной решетки 13 были получены следуюшде параметры: высота лазерной решетки 2,7 мм, ширина -10 мм, площадь - 27  средняя мощность импульса излучения - 600 Вт, энергия излучения - 0,24 Дж, при длительности импульса накачки 400 МКС, плотность импульсной оптической мошдости составила 2220 Вт/см.
2. Во втором примере был собран другой вщэиант сборки лазерной решетки 17 (в соответствии с п.З формулы изобретения, см. Фиг. 5). Размеры и материалы прокладок 7 и 8 и ЛЛД 1 были выбраны аналогичными используемым в примере 1. На прокладки 7 и 8 нанесена четырехсторонняя металлизация. На контактную поверхность 9 каждой прокладки 7 помещали ЛЛД 1 одной из контактных поверхностей. На свободную контактную
- 10 поверхность ЛЛД 1 помещали контактную поверхность 12 прокладки 8. Всю сборку 14 спаивали для получения моноблока 16 (см. Фиг. 4). Было собрано 55 моноблоков 16. После измерения параметров было отобрано 36 моноблоков 16 для сборки лазерных решеток 17.
На моноблоках 16 получены следующие параметры: энергия импульса излучения (12...20) мДж при длительности импульса тока накачки 200 мкс (средняя мощность импульса излучения (60...100) Вт).
Сборка лазерной решетки 17 было сплавлена из 20 моноблоков 16. Б результате получена конструктивно прочная лазерная решетка с выводами (20 этажей). Контактные шины 14 и 15 подсоединены к свободным контактным поверхностям 10 и 11 нижнего и верхнего моноблоков 16, соответственно. Площадь лазерной решетки 17 получена равной S  80 мм (высота - 8 мм, ширина - 10 мм). После введения в рабочий режим от сборки лазерной решетки 17 была получена средняя мощность импульса излучения 1600 Вт и плотность импульсной оптической мощности составила 2000 Вт/см.
Полученные результаты соизмеримы с лучшими результатами фирмы SDL, но получены при помощи более простой технологии изготовления новой конструкции многоэлементного излучателя. Расширение диапазона возможностей получения лучших результатов связано с повышением эффективности лазерных гетероструктур отечественного производства.
- 11 техническую задачу: повышение эффективности и надежности работы решеток при увеличении либо сохранении плотности мощности лазерного излучения с единицы рабочей поверхности решетки за счет более эффективного отвода тепла, достижение многовариантности отвода тепла, а также упрощение операции сборки, уменьшение габаритов, что приведет к повышен ) выхода годных.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1.Реклама фирмы McDonnell Douglas Corp. на решетки лазерных диодов серии В4500, 1994.
2.Патент США 4716568, Н 01 S 3/04, 37S/36, 1987.
3.Патент США 5311536, Н 01 S 3/19, 372/50, 1994.
Заявитель - ГП НИИ По, Директор
-1 о il
А.А. Казаков