一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置

1.本发明涉及高功率半导体激光器散热技术领域，尤其涉及一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置。


背景技术：

2.由于半导体激光器的体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、易于调制等优点，使得它目前在工业、医疗、通讯、信息显示、军事等领域中的应用非常广泛。高功率半导体激光器技术是发展国防工业的重要技术基础，其发展将直接推动引信、跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达、夜视、目标识别与对抗等技术的更新换代。目前高功率半导体激光器所面临的的主要问题就是激光器的散热问题，由于温度对半导体材料的禁带宽度、带边吸收和发射带等物理特性有重要影响，随着器件温度的升高，斜率效率降低，输出功率减少、中心波长产生红移动，这些特性的变化对于实际应用极为不利。所以如何将器件工作中产生的废热耗散掉是半导体光电子和微电子器件研究中重要的方向之一。传统的激光器热沉多使用铜材料微通道水冷热沉，冷却液流量小、冷却液种类单一且易达到散热极限。本发明所述的一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置，散热模块可根据需求自由组合，散热性能优良，及时将器件工作中产生的废热耗散掉。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：
5.一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置，主要包括宏通道水冷热沉、导热铜板、石墨棒、侧翼辅助水冷通道、冷却液、温度传感器、智能温度控制系统、以及水冷风扇。
6.具体的，所述宏通道水冷热沉的顶部设有导热骨架，所述导热骨架贯穿宏通道水冷热沉。所述宏通道水冷热沉上还设有贯穿的通风孔，所述通风孔垂直于导热骨架。所述导热铜板设置在宏通道水冷热沉的两侧，导热铜板上还设有供石墨棒插入的槽口。所述导热铜板设置在宏通道水冷热沉的两侧。所述石墨棒通过导热骨架插入并与宏通道水冷热沉和导热铜板固定连接。所述侧翼辅助水冷通道位于导热铜板下方，并与导热铜板固定连接。所述温度传感器设置在宏通道水冷热沉上，并与智能温度控制系统连接。所述水冷风扇安装在宏通道水冷热沉的通风孔上，并与智能温度控制系统连接。
7.作为本发明的优选方案，所述通风孔表面覆盖一层用于快速散热的黑色导热硅脂。所述石墨棒分别与宏通道水冷热沉、侧翼辅助水冷通道的连接处涂抹导热硅脂。所述导热铜板通过粘性导热硅脂分别与宏通道水冷热沉、侧翼辅助水冷通道连接。
8.作为本发明的优选方案，所述宏通道水冷热沉的上表面设有一层铟焊料，所述铟焊料的厚度为3～5微米。所述铟焊料上还设有衬底，所述衬底底部通过铟焊料与宏通道水冷热沉连接，顶部与需要散热的芯片连接。所述衬底采用厚度为0.3～0.5毫米的氮化铝衬
底。
9.作为本发明的优选方案，所述石墨棒可采用导热管或金刚石棒代替。
10.进一步的，所述宏通道水冷热沉和侧翼辅助水冷通道的内部镂空并设有用于进出冷却液的入口和出口。
11.作为本发明的优选方案，所述侧翼辅助水冷通道可采用tec制冷模块。
12.作为本发明的优选方案，所述冷却液采用超净水、变压器油或相变材料。
13.作为本发明的优选方案，所述变压器油的主要成分为烷烃，环烷族饱和烃，芳香族不饱和烃化合物。
14.作为本发明的优选方案，所述相变材料为高相变潜热物质，包括石蜡、镓基液态金属、无机盐溶液等。
15.本发明的工作过程和原理是：使用时，氮化铝衬底使用铟焊料焊接在宏通道水冷热沉的上表面，使用808nm垂直腔面芯片，注入电流大于阈值电流，激光器开始工作，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统可持续地调节冷却液流速以及散热模块的工作状态，注入4a电流，先打开宏通道水冷热沉，根据通过温传感器反馈的温度，智能温度控制系统控制冷却液流速，当热流密度持续升高影响出光效率时，进一步打开水冷风扇。加大电流注入密度，结温升高，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统继续增加散热模块，打开侧翼辅助水冷通道，侧翼辅助水冷通道的冷却液流量开关根据需要由智能温度控制系统控制。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
16.与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
17.(1)本发明所提供的多级可切换半导体激光器热沉散热装置可以实现不同结温下工作的激光器不同散热等级的智能选择，节能环保，能够解决现有激光器热沉不利于散热，散热模式单一，损耗大等问题。
18.(2)本发明所提供的多级可切换半导体激光器热沉散热装置相比于传统的使用铜块当热沉或者微通道热沉结构，本热沉结构可以应用在更高热流密度的半导体激光器器件中，散热性能更加优良。
19.(3)本发明所提供的多级可切换半导体激光器热沉散热装置用于高功率半导体激光器的散热管理，有效的抑制半导体激光器工作时温度升高引起的波长漂移、寿命降低和电光转化效率低的问题，可大幅降低热管理系统的的功耗，实现高功率激光器的智能化可控多级散热。
附图说明
20.图1是本发明所提供的多级可切换半导体激光器热沉散热装置的结构示意图。
21.图2是本发明所提供的tec制冷模块的结构示意图。
22.图3是本发明所提供的水冷风扇的结构示意图。
23.图4是本发明所提供的石墨棒的结构示意图。
24.图5是本发明所提供的导热铜板的结构示意图。
25.图6是本发明所提供的侧翼辅助水冷通道的结构示意图。
26.图7是本发明所提供的宏通道水冷热沉的结构示意图。
27.上述附图中的标号说明：
28.1-宏通道水冷热沉，2-导热铜板，3-侧翼辅助水冷通道，4-温度传感器，5-智能温度控制系统，6-tec制冷模块，7-石墨棒，8-水冷风扇，9-导热骨架，10-槽口。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
30.实施例1：
31.如图1至图7所示，本实施例公开了一种多级可切换半导体激光器热沉散热装置，主要包括宏通道水冷热沉1、导热铜板2、石墨棒7、侧翼辅助水冷通道3、冷却液、温度传感器4、智能温度控制系统5、以及水冷风扇8。
32.具体的，所述宏通道水冷热沉1的顶部设有导热骨架9，所述导热骨架9贯穿宏通道水冷热沉1。所述宏通道水冷热沉1上还设有贯穿的通风孔，所述通风孔垂直于导热骨架9。所述导热铜板2设置在宏通道水冷热沉1的两侧，导热铜板2上还设有供石墨棒7插入的槽口10。所述导热铜板2设置在宏通道水冷热沉1的两侧。所述石墨棒7通过导热骨架9插入并与宏通道水冷热沉1和导热铜板2固定连接。所述侧翼辅助水冷通道3位于导热铜板2下方，并与导热铜板2固定连接。所述温度传感器4设置在宏通道水冷热沉1上，并与智能温度控制系统5连接。所述水冷风扇8安装在宏通道水冷热沉1的通风孔上，并与智能温度控制系统5连接。
33.作为本发明的优选方案，所述通风孔表面覆盖一层用于快速散热的黑色导热硅脂。所述石墨棒7分别与宏通道水冷热沉1、侧翼辅助水冷通道3的连接处涂抹导热硅脂。所述导热铜板2通过粘性导热硅脂分别与宏通道水冷热沉1、侧翼辅助水冷通道3连接。
34.作为本发明的优选方案，所述宏通道水冷热沉1的上表面设有一层铟焊料，所述铟焊料的厚度为3～5微米。所述铟焊料上还设有衬底，所述衬底底部通过铟焊料与宏通道水冷热沉1连接，顶部与需要散热的芯片连接。所述衬底采用厚度为0.3～0.5毫米的氮化铝衬底。
35.作为本发明的优选方案，所述石墨棒7可采用导热管或金刚石棒代替。
36.进一步的，所述宏通道水冷热沉1和侧翼辅助水冷通道3的内部镂空并设有用于进出冷却液的入口和出口。
37.作为本发明的优选方案，所述水冷风扇8可采用tec制冷模块6。
38.作为本发明的优选方案，所述冷却液采用超净水、变压器油或相变材料。
39.作为本发明的优选方案，所述变压器油的主要成分为烷烃，环烷族饱和烃，芳香族不饱和烃化合物。
40.作为本发明的优选方案，所述相变材料为高相变潜热物质，包括石蜡、镓基液态金属、无机盐溶液等。
41.本发明的工作过程和原理之一是：使用时，氮化铝衬底使用铟焊料焊接在宏通道水冷热沉1的上表面，使用808nm垂直腔面芯片，注入电流大于阈值电流，激光器开始工作，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统5可持续地调节冷却液流速以及散热模块的工作状态，注入4a电流，先打开宏通道水冷热沉1，根据通过温传感器反馈的温度，智能温度控制系统5控制冷却液流速，当热流密度持续升高影响出光效率时，进一步打开水冷风扇8。加大
电流注入密度，结温升高，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统5继续增加散热模块，打开侧翼辅助水冷通道3，侧翼辅助水冷通道3的冷却液流量开关根据需要由智能温度控制系统5控制。
42.本发明的另一种工作过程和原理是：使用时，氮化铝衬底使用铟焊料焊接在宏通道水冷热沉1的上表面，使用808nm垂直腔面芯片，注入电流大于阈值电流，激光器开始工作，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统5可持续地调节冷却液流速以及散热模块的工作状态，注入4a电流，先打开侧翼辅助水冷通道3，根据通过温传感器反馈的温度，当热流密度持续升高影响出光效率时，智能温度控制系统5控制侧翼辅助水冷通道3冷却液流速，加大电流注入密度，结温升高，通过温传感器的反馈，智能温度控制系统5继续增加散热模块，打开宏通道水冷热沉1智能温度控制系统5控制宏通道水冷热沉1冷却液流速。
43.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。