專利名稱：被動散熱的小熱沉半導體激光條的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種被動散熱的小熱沉半導體激光條的結構與封裝技術，屬于半導體激光器
背景技術：
半導體激光條具有高功率、體積小、重量輕、電光轉換效率高、波長覆蓋范圍寬等優點，是固體激光器和光纖放大器的主要泵浦源，可以有效提高激光光束質量和效率。并且在材料加工、生物醫學等領域得到廣泛應用。
普通半導體激光條由熱沉(兼作正極)、負極、半導體發光介質、電極間的導熱絕緣層以及緊固螺釘組成。半導體激光條工作時產生大量的熱，其散熱方式分為主動散熱和被動散熱兩種。半導體激光條發光介質寬度為10mm。主動散熱的半導體激光條體積小，結構緊湊，熱沉寬度為11mm，略寬于發光介質。因此其熱流密度高，一般采用在熱沉內設置微通道水路以增加熱沉的散熱面積，使用時直接通入冷卻水散熱。微通道直徑為幾十到幾百微米，距離激光條發光介質小于1mm，以減小發光介質與冷卻水間的熱阻。但是，這種主動散熱的激光條結構和工藝復雜，制造成本高。散熱水路不能設置在發光介質的正下方。微通道穩定性差，容易被冷卻水沖毀。同時，為避免微通道堵塞，必須使用去離子水散熱。多個激光條同時使用時拆裝和維護都很麻煩。
被動散熱的半導體激光條結構和工藝相對簡單，工作穩定性好，對環境條件要求低，使用時需固定在散熱器上。圖1為普通被動散熱的半導體激光條封裝結構示意圖，其被動散熱的半導體激光條熱沉體積較大，為25×25×7mm3的長方體結構。熱沉內無散熱水路，其下表面為散熱面。因為熱沉的散熱面積大，所以熱流密度低，散熱相對容易。由于熱沉厚度一般為6～8mm，所以發光介質與散熱面間的熱阻較大。熱沉體積大使得被動散熱的半導體激光條不適用于多個光源的緊密排列，同時不適用于結構緊湊，體積小巧的裝置中。
當需要體積小，散熱簡單，裝配靈活，便于維護的半導體激光條光源時，上述的兩種半導體激光條均不能滿足要求。
發明內容
針對現有技術存在的不足和缺陷，本發明的目的是提供一種被動散熱的小熱沉半導體激光條，使其既保留被動散熱的半導體激光條結構簡單、工作穩定性好、對環境條件要求低的優點，同時又具有體積小，結構緊湊，裝配靈活以及便于維護等特點。
本發明的技術方案如下
一種被動散熱的小熱沉半導體激光條，含有熱沉，設置在熱沉上面的負極，發光介質，以及設置在熱沉和負極之間的導熱絕緣層，用于連接發光介質N端和負極的金屬箔片，緊固螺釘，在所述的熱沉和負極上分別設有裝配孔，在所述的熱沉上設有正極孔，在所述的負極上設有負極孔，其特征在于所述的熱沉的寬度為10～12mm，其前端為階梯結構，第一級臺階的高度為0.3～1mm，第一級臺階的長度為1mm～2mm，熱沉總高度為3～6mm，總長度為19～25mm；所述的發光介質設置在第一級臺階的前邊緣。
為了熱沉前端有足夠的空間與散熱器的制冷面接觸，并且使激光條受力均勻，避免前端翹起影響散熱，設置在負極上的裝配孔中心距熱沉前端為10～12mm，正極上的裝配孔中心距熱沉前端大于15mm。
本發明的技術特征還在于所述的正極孔設置在熱沉的上表面、側面或背面；所述的熱沉與負極之間的導熱絕緣層采用氮化鋁陶瓷或金剛石膜。
為了使激光器的整體結構更緊湊，在熱沉的第一級臺階前端設有一個安放準直鏡的第三級小臺階。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果采用寬度為10～12mm的熱沉縮小了激光條的體積，使激光條結構更緊湊小巧。熱沉前端采用階梯結構，第一級臺階高度為0.3～1mm，減小了發光介質與熱沉散熱面之間的熱阻。被動散熱方式使激光條的結構和工藝簡單，對工作條件要求低，環境適應性好。
圖1為現有技術中普通被動散熱的半導體激光條封裝結構示意圖。
圖2為本發明提供的被動散熱小熱沉半導體激光條的封裝結構示意圖。
圖3為發光介質與導熱絕緣層在熱沉上的安裝位置示意圖。
圖4為用于連接發光介質N端和負極的金屬箔片的位置示意圖。
圖5為將激光條安裝在散熱器上工作的結構示意圖。
圖中1-激光條熱沉(正極)；2-激光條負極；3-發光介質；4-導熱絕緣層；5-導電金屬箔片或金屬絲；6-緊固螺釘；7-絕緣粒；8-第一級階梯；9-階梯前邊緣的棱；10-矩形缺口；11-正極孔；12-負極孔；13-裝配孔；14-條形陶瓷片；15-正方形陶瓷片；16-散熱器；17-準直鏡；18-第三級臺階。
具體實施例方式
本發明提出的被動散熱小熱沉半導體激光條結構如圖2所示，包括熱沉(正極)1、負極2、發光介質3、導熱絕緣層4、用于連接發光介質N端和負極的金屬箔片5、用于把負極固定在熱沉上的緊固螺釘6以及使負極2與緊固螺釘6間絕緣的絕緣粒7。為保證熱沉散熱充分，熱沉和負極的材料均為純銅。
熱沉前端為階梯結構，熱沉寬度為10～12mm。第一級臺階8的高度為0.3～1mm，長度為1～2mm。熱沉總高度為3～6mm，總長度為19～25mm。熱沉的第一級臺階上焊接發光介質，為減少焊接后熱沉與發光介質間的空氣隙，影響熱沉前端熱量平均分布，第一級臺階上表面的粗糙度應小于0.1μm，臺階前邊緣的棱9不能有毛刺或缺口。
負極2的長度為15～18mm，與熱沉同寬，厚度為1～3mm，前端下表面有矩形缺口10，缺口沿激光條長度方向為3mm，高0.8mm，與負極同寬。負極前表面與熱沉前表面對齊。
激光條的熱沉上設置有正極孔11，在負極上設有負極孔12，在熱沉和負極上分別設有裝配孔13。正極孔設置在熱沉的上表面、側面或背面。設置在負極上的裝配孔中心距熱沉前端為10～12mm，正極上的裝配孔中心距熱沉前端大于15mm，這樣可使熱沉前端有足夠的空間與散熱器的制冷面接觸，并且使激光條受力均勻，避免前端翹起影響散熱。
發光介質3采用AlGaAs量子阱外延片、InGaAsP量子阱外延片或AlGaAsP量子阱外延片等，寬度一般為10mm，腔長方向長度為1mm，厚度為0.2mm。如圖3所示，發光介質3焊接在熱沉第一級臺階8的前邊緣處，P端向下。
熱沉與負極間用氧化鋁陶瓷或者金剛石膜作為導熱絕緣材料。以氮化鋁陶瓷為例，條形陶瓷片14與熱沉同寬，厚0.3～0.6mm，沿激光器腔長方向長度為2～3mm，焊接在熱沉上，上表面做金屬化處理。兩片厚度與條形陶瓷片相等的正方形陶瓷片15分別焊接在裝配孔13的兩側，與條形陶瓷片14共同支撐激光條負極，使之與正極絕緣。發光介質發出的一部分熱量通過熱沉和導熱絕緣層傳遞給負極，增加了激光條的熱容和散熱面積。
如圖4所示，金屬箔片或金屬絲5的一端焊接在發光介質3的N端上，另一端焊接在條形陶瓷片14的上表面。金屬箔片或金屬絲應具有良好的導電性，選擇材料為純銅。
如圖5所示，激光條工作時固定在散熱器16上。激光條前端設置準直鏡時，在熱沉第一級臺階前端再設一級安放準直鏡17的第三級小臺階18。激光條熱沉變為三階梯結構。
權利要求
1.一種被動散熱的小熱沉半導體激光條，含有熱沉(1)，設置在熱沉上面的負極(2)，發光介質(3)，以及設置在熱沉和負極之間的導熱絕緣層(4)，用于連接發光介質N端和負極的金屬箔片(5)，緊固螺釘(6)，在所述的熱沉和負極上分別設有裝配孔(13)，在所述的熱沉上設有正極孔(11)，在所述的負極上設有負極孔(12)，其特征在于所述的熱沉的寬度為10～12mm，其前端為階梯結構，第一級臺階(8)的高度為0.3～1mm，第一級臺階的長度為1mm～2mm，熱沉總高度為3～6mm，總長度為19～25mm；所述的發光介質設置在第一級臺階的前邊緣。
2.按照權利要求1所述的被動散熱的小熱沉半導體激光條，其特征在于設置在負極上的裝配孔中心距熱沉前端為10～12mm，正極上的裝配孔中心距熱沉前端大于15mm。
3.按照權利要求1或2所述的被動散熱的小熱沉半導體激光條，其特征在于所述的正極孔設置在熱沉的上表面、側面或背面。
4.按照權利要求3所述的被動散熱的小熱沉半導體激光條，其特征在于在所述熱沉的第一級臺階前端設有一個用于安放準直鏡的第三級小臺階(18)。
5.按照權利要求1所述的被動散熱的小熱沉半導體激光條，其特征在于所述的熱沉與p負極之間的導熱絕緣層采用氮化鋁陶瓷或金剛石膜。
全文摘要
被動散熱的小熱沉半導體激光條，涉及被動散熱的小熱沉半導體激光條的結構與封裝技術。本發明的主要技術特征是所述的熱沉的寬度為10～12mm，其前端為階梯結構，第一級臺階的高度為0.3～1mm，第一級臺階的長度為1mm～2mm；熱沉總高度為3～6mm，總長度為19～25mm；所述的發光介質設置在第一級臺階的前邊緣。本發明通過結構參數的優化，保留了現有被動散熱的半導體激光條結構簡單、工作穩定性好、對環境條件要求低的優點，與已有技術相比，進一步減小了發光介質與熱沉散熱面之間的熱阻，同時具有體積小，結構緊湊，裝配靈活，便于維護等特點。
文檔編號H01S5/00GK1812213SQ20061001136
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者鞏馬理, 黃磊, 殷聰 申請人:清華大學