[發明專利]一種半導體激光器的熱管理裝置

在審

• 申請號: 201410239521.2
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN105281198A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 楊晶;許祖彥;閆彪;彭欽軍;許家林;高偉男;王偉偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李迪

技術領域

本發明涉及半導體激光器的熱管理技術領域，尤其涉及一種高熱流密度的半導體激光器的熱管理裝置。

背景技術

目前半導體激光器的冷卻方法大致可分為輻射換熱、傳導換熱和對流換熱三大類。輻射換熱主要針對熱流密度較低的應用；傳導換熱則主要通過熱沉、熱電致冷器(TEC)等方式實現，熱流密度相對輻射換熱稍高；對流換熱則主要利用氣體、液體等流體，如利用風扇受迫對流空氣即風冷為代表的中等熱流密度散熱技術和以通道水冷為代表的高熱流密度散熱技術。

采用相變換熱方式來排走熱量的研究也已經廣泛開展。與單相傳熱或導熱相比，采用相變傳熱方法所需工質少，具有熱傳輸量大，傳熱效率高等特點，因此可減少重量和體積。其代表為熱管技術，它以相變(蒸發與凝結)換熱作為傳熱的主要方式，具有溫度控制能力強、可解決高熱流密度散熱等特點，在計算機元器件散熱方面的應用已引起重視。

當前半導體激光技術發展的一個顯著趨勢是平均功率的不斷提升，隨之而來的一個重要問題是如何對半導體激光(LD)系統進行有效的熱管理，即是將LD產生的高熱量迅速地散走。尋找具有高效熱輸運效能的散熱方法多年來一直是人們追求的目標。

由于半導體光體積一般較小，加之目前多采用陣列結構，器件結構緊湊性要求僅允許保留有限的冷卻空間，因此對于高功率LD而言，較之輻射換熱，傳導加對流的換熱方式更具有優勢。而對流換熱中的微通道熱沉冷卻方案更是常用方案。作為主流技術微通道水冷方案，自身特點帶來的一些限制。首先，以水作為工質熱導率較低(僅為0.6W.m^-1.K^-1)，限制了其在微通道中的換熱系數；第二，在水循環運行中長期運轉會導致器件老化、腐蝕，從而導致對于水質及流動管道的要求較高，加之部分微通道水冷結構對水的電導率存在嚴格限制，因此，需要對水的電導率進行嚴格的控制且需經常更換；第三，由于水的熱導率不高，導致冷卻效率受到限制，單位時間內需要用較大的流量以將熱量導出，結構復雜不利于裝置小型化；第四，利用水冷方式僅能通過機械泵進行驅動，裝置運行的噪聲較大，為保證系統可靠性，必須采用分體式設計，因此在對裝置體積有限制的應用場合面臨困難。

而熱管作為相變傳熱的冷卻方式，盡管可達到相對單相流體更高的熱流轉移通量，但其制作工藝如芯體材料的制備、工質封裝、維護及可靠性等仍有待于提高。

低熔點金屬作為流動工質已經用于計算機芯片與半導體發光二極管(LED)芯片散熱，最近幾年來已被用于核反應堆和加速器的熱管理之中。要將該技術運用到半導體激光器的熱管理中，必須解決微通道冷卻與半導體激光器熱接口的問題。由于液態金屬導電性好，直接用于激光器疊陣或面陣整體的微通道冷卻，很容易導致器件的短路；而通過分布式冷卻又受到面積限制難以解決高功率陣列結構的散熱困難，所以到目前雖然本領域技術人員一直努力卻未能實現直接用于半導體激光器及其陣列結構的熱管理裝置。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題就是如何提供一種半導體激光器的熱管理裝置，避免采用微通道水冷時，在水循環運行中長期運轉導致器件老化、腐蝕，從而對流動管道與水質和電導率等的要求較高，且需經常更換流動工質，解決冷卻效率不高、噪聲大，并且結構復雜不利于裝置小型化的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種半導體激光器的熱管理裝置，其特征在于，包括一面與半導體激光器相連接的膨脹匹配導熱層，膨脹匹配導熱層的另一面與對流換熱模塊連接；

對流換熱模塊中有熔點范圍從-10℃～60℃的低熔點金屬；

對流換熱模塊包括熱導率>100W.m^-1.K^-1的高熱導率金屬外殼。

優選地，對流換熱模塊通過管道與外部散熱模塊連接；

所述對流換熱模塊、管道、外部散熱模塊中有熔點范圍從-10℃～60℃的低熔點金屬；

所述對流換熱模塊、管道、外部散熱模塊形成流通的閉合回路；

對流換熱模塊、管道、外部散熱模塊中的液態金屬由驅動泵進行驅動，驅動泵是機械泵，或者電磁泵，或者離心泵，或者上述幾種泵的任意組合。

優選地,對流換熱模塊連接有散熱翅片，或連接有風冷模塊，或連接有輔助電制冷/制熱器，或連接有對流換熱的熱沉，或連接有散熱翅片、風冷模塊、輔助電制冷/制熱器、熱沉的任意組合；

所述對流換熱的熱沉的幾何結構通過焊接層/導熱膠涂層與膨脹匹配導熱層緊密連接。

所述金屬外殼的成分為金、銀、銅、鋁。