[發明專利]一種高速氣體攜帶制冷劑冷卻微通道半導體激光器的方法及裝置

在審

• 申請號: 202011379334.6
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112510481A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 王貞福;李特
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

本發明提供一種高速氣體攜帶制冷劑冷卻微通道半導體激光器的方法及裝置。該方法使液體制冷劑輸入所述微通道；特別地，使高速氣流作用于液體制冷劑，從而對微通道封裝結構的半導體激光器進行氣液高速混合散熱。優選在液體制冷劑輸入所述微通道之前，將高速氣流與液體制冷劑混合，然后液體制冷劑隨高速氣流一起輸入微通道。本發明通過高速的氣體攜帶去離子水對微通道封裝結構的半導體激光器件進行有效散熱，結合了氣體的高流速和去離子水的高導熱系數兩個優點，可以明顯降低激光芯片的結溫，實現半導體激光器更高的峰值輸出功率。

技術領域

本發明涉及一種微通道半導體激光器的制冷方法及裝置。

背景技術

高功率半導體激光器(LD)及其陣列是工業、醫療和基礎研究等領域的理想激光源，應用廣泛。半導體激光器向高平均功率發展存在的一個最大問題是散熱，隨著注入電流的增加，產生的熱功耗隨之增加，由熱功耗而引起有源區的溫度升高會影響激光器性能參數，嚴重時會使激光器徹底毀壞，如何有效導出因耗散功率所轉化的熱量，解決冷卻散熱問題成為研制高功率半導體激光器必須攻克的關鍵技術之一。目前，高性能半導體激光器的電光效率為大約50％，其余能量基本轉化成為熱能。因此，獲得一定能量的激光必然伴隨產生1倍左右的熱能，另外，高功率半導體激光器中熱量產生的一個特點是非常集中，在單位面積或者體積之內，產生極高熱流密度的熱量(目前典型值1×10⁷W/m²)，這樣的熱量和熱流密度都是很驚人的，只有采用高效、低熱阻的熱沉/冷卻器(用于激光器熱源和冷卻流體之間換熱的散熱器)，才能將集中的熱量從發熱部分中導出且只引起溫度的合理升高。

微通道冷卻熱沉通過液體流過微通道時的強制對流將熱量快速帶走，具有很強的散熱能力，是目前高功率半導體激光陣列芯片的主要散熱方式，相應的制冷系統/裝置也有很多，但主要是針對微通道內壁結構和整體組裝結構進行各種改型設計，這可能對制造工藝有較高的要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種有別于現有技術的微通道半導體激光器的制冷方法及裝置，提高微通道半導體激光器的制冷效果，進而提高微通道半導體激光器的輸出光功率。

為了實現以上目的，本發明提出以下解決方案：

一種高速氣體攜帶制冷劑冷卻微通道半導體激光器的方法，其特殊之處在于，包括：

使液體制冷劑輸入所述微通道；

使高速氣流作用于液體制冷劑，從而對微通道封裝結構的半導體激光器進行氣液高速混合散熱。

優選地，所述使高速氣流作用于液體制冷劑，是在液體制冷劑輸入所述微通道之前，將高速氣流與液體制冷劑混合；然后液體制冷劑隨高速氣流一起輸入微通道。也可以考慮直接一起輸入微通道。

可選地，所述液體制冷劑為去離子水、無水乙醇或導熱硅油。

可選地，所述高速氣流取自空氣或氮氣。

可選地，對于單個巴條的微通道熱沉，在高速氣流作用于液體制冷劑之前，所述液體制冷劑的流量為0.1-0.4L/min，所述高速氣流的流量為50-70L/min。

進一步優選地，對于單個巴條的微通道熱沉，所述液體制冷劑的流量為0.2L/min，所述高速氣流的流量為60L/min。

可選地，對于單個巴條的微通道熱沉，所述微通道熱沉的入口管路和出口管路均為直徑φ10mm的水管。

可選地，在高速氣流作用于液體制冷劑之前，還對高速氣流的氣源進行預冷處理。