CN103986059A - 激光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光照明领域，尤其涉及一种激光器件。本发明提出了一种激光器件，包括围绕中央柱体沿其轴向延伸的多只热沉，在每只所述热沉上沿所述中央柱体的轴向排布有多个集成有发光元件的列阵芯片，其中，在所述中央柱体的轴向方向上，相邻热沉上的相应的所述列阵芯片相互错开。其以最优化的结构排布，权衡了各方面的性能，所制造的激光器件的发光功率、发光质量均大大优化，同时器件的纵向长度位于技术可成熟处理的范围内。

Description

激光器件

技术领域

本发明涉及激光照明领域，尤其涉及一种激光器件。

背景技术

作为先进的制造技术，激光加工已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等行业，对提高产品质量、劳动生产率、自动化程度、环境友好度、减少材料消耗等起到重要的作用。在切割、焊接、表面处理等应用中，对激光器的输出功率要求越来越高。另外，激光加工的特殊性要求大多数激光加工设备的激光输出形式为光纤输出。因此对于大功率侧泵激光模块而言，不仅仅要求有足够的激光输出功率(千瓦以上)，而且需要具备较高的输出激光的光束质量。

常规侧面泵浦激光模块存在的问题是：

当侧面泵浦激光模块输出功率达到千瓦以上时，如果使用小功率额定输出的激光二极管列阵芯片时，所需的激光二极管列阵芯片的排布需要较长的激光晶体棒。而由于激光晶体棒的制造技术限制，激光晶体棒的长度达到一定极限后就很难再增加。

如果使用高功率额定输出的激光二极管列阵芯片，可以减少单只侧面泵浦激光模块使用激光二极管列阵芯片的数量。然而，当使用高额定功率激光二极管列阵芯片时，激光二极管列阵芯片的发射功率密度将成倍提高，常规侧面泵浦激光模块中的激光晶体棒的热透镜效应明显加剧，侧面泵浦激光模块输出的光束质量明显下降，从而使得激光光束无法耦合到输出光纤中。

发明内容

如上所述，在现有技术中，存在如下问题：当侧面泵浦激光模块输出功率达到千瓦以上时，如果使用小功率额定输出的激光二极管列阵芯片时，所需的激光二极管列阵芯片的排布需要较长的激光晶体棒，而由于激光晶体棒的制造技术限制，激光晶体棒的长度达到一定极限后就很难再增加；而当使用高额定功率激光二极管列阵芯片时，激光二极管列阵芯片的发射功率密度将成倍提高，常规侧面泵浦激光模块中的激光晶体棒的热透镜效应明显加剧，所产生的光质量会下降。

针对上述问题，本发明提出了一种激光器件。其以最优化的结构排布，权衡了各方面的性能，所制造的激光器件的发光功率、发光质量均大大优化，同时器件的纵向长度位于技术可成熟处理的范围内。

本发明提出了一种激光器件，包括围绕中央柱体沿其轴向延伸的多只热沉，在每只所述热沉上沿所述中央柱体的轴向排布有多个集成有发光元件的列阵芯片，其中，在所述中央柱体的轴向方向上，相邻热沉上的相应的所述列阵芯片相互错开。

如此设计，不同热沉上的列阵芯片的位置并非完全相同的直线连续排列，使得列阵芯片能够以较合理的位置和密度布置在激光器件的周侧面上。既能够保证单位面积上的发光功率，又不会造成显著的热透镜效应，也不会使得中央柱体的轴向尺寸过长。

优选地，所有的列阵芯片具有相同的尺寸，且在所述热沉上，相邻的所述列阵芯片相互之间的间隔距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半。

优选地，在所述中央柱体的轴向方向上，相邻的热沉上的相应的列阵芯片相互错开特定距离，所述距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸或其一半。

如此地，在根据本发明的激光器件的侧周面上，斜线上的列阵芯片组成了围绕中央柱体的螺旋线排列。

优选地，所述热沉的数量为九只。

优选地，在所述九只热沉中，第一、四、七只热沉上的列阵芯片的数量为十个。

优选地，在所述九只热沉中，第二、三、五、六、八、九只热沉上的列阵芯片的数量为九个。

因为泵浦激光沿中央柱体轴向的照射为螺旋线的排列形式，对于沿中央柱体轴向流动的冷却水来讲，散热效果要比常规侧面泵浦激光模块的散热效果更好。

优选地，在所述中央柱体的轴向方向上，第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置齐平，第二、五、八只热沉上的首个列阵芯片的位置与第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半，第三、六、九只热沉上的首个列阵芯片的位置与第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的整个尺寸，第三、六、九只热沉上的首个列阵芯片的位置与第二、五、八只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半。

这样的排列在中央柱体表面沿其轴向方向形成了螺旋方式布置且间隔均匀分布的泵浦激光照射。在中央柱体的轴向方向上，受到照射的泵浦激光长度为14.5只列阵芯片的长度，这种照射长度的模块设计所需的中央柱体的长度在200mm以内，位于成熟制造能力的范围内。

优选地，所述发光元件为激光二极管。

优选地，所述中央柱体为外部套有石英玻璃管的激光晶体棒。根据本发明的技术方案，所需的激光晶体棒的长度在200mm以内，位于晶体棒的制造能力范围。

优选地，在所述中央柱体和所述石英玻璃管之间具有用于冷却水的环状管路,以及在所述热沉上具有用于冷却水的管路。如此冷却水可迅速冷却掉列阵芯片和激光晶体棒所散发的热量，保证发光质量。

根据本发明的激光器件，单位芯片长度的区域内的等效列阵芯片数量为6只，因此可以计算出单位芯片长度的中央柱体上所照射的额定泵浦光功率为40Wx6＝240W，相比较于常规的激光器件上280W的额定泵浦光功率，晶体棒上的功率密度降低了14％以上。这有效缓解了热透镜效应，提升了发光质量。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的激光器件沿轴向的剖视图；

图2显示了根据本发明的激光器件沿图1中的AA线的剖视图；

图3显示了根据本发明的激光器件的侧周面的展开示意图；

图4显示了对比例中的激光器件沿横向的剖视图；

图5显示了对比例中的激光器件的侧周面的展开示意图；

图6显示了对比例1中的激光器件的效果示意图；

图7显示了对比例2中的激光器件的效果示意图；

图8显示了根据本发明的实施例中的激光器件的效果示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出了一种激光器件。

参照图1，根据本发明的激光器件包括位于中央的激光晶体棒3和围绕在激光晶体棒3之外的石英玻璃管4。

根据本发明的激光器件还包括围绕激光晶体棒3和石英玻璃管4而沿其轴向(即垂直于图1中AA方向的方向)延伸的多只热沉。

图2显示了图1中的激光器件沿AA方向的剖视图。从图2中可清楚地看出，该激光器件具有九只热沉，分别标示为11、12、13、14、15、16、17、18、19。

再次参照图1。在每只热沉11-19上排布有多个集成有激光二极管的列阵芯片2，所有的列阵芯片2均具有相同的尺寸，且在垂直于AA方向的轴向方向上，相邻热沉上的相应的列阵芯片2相互错开。

参照图2，在激光晶体棒3和石英玻璃管4之间具有冷却水管路9。而在热沉上同样形成有冷却水管路，在图2中热沉中的冷却水管路分别对应标示为81、82、83、84、85、86、87、88和89。

再次参照图1，冷却水7通过冷却水管路从入水水腔5流动至出水水腔6，以带走激光二极管列阵芯片2和激光晶体棒3所散发的热量。

图3显示了根据本发明的激光器件的侧周面的展开示意图。

参照图3，在激光晶体棒3的轴向方向上(即图3中的左右向)，相邻的列阵芯片2相互之间的间隔距离优选为列阵芯片2的尺寸的一半。相邻的热沉的相应列阵芯片2相互错开特定距离，该距离可以为列阵芯片2在激光晶体棒3的轴向方向上的尺寸或其一半。

关于热沉上列阵芯片2的数量及排布，具体可采用如下方式：在九只热沉中，热沉11、热沉14和热沉17上的列阵芯片2的数量为十个；热沉12、热沉13、热沉15、热沉16、热沉18和热沉19上的列阵芯片2的数量为九个。正如图3中所示意性显示的。

在激光晶体棒3的轴向方向上(即图3中的左右向)，热沉11、热沉14和热沉17上的列阵芯片2对齐排列，热沉12、热沉15和热沉18上的首个列阵芯片2的位置与热沉11、热沉14和热沉17上的首个列阵芯片2的位置错开的距离为列阵芯片2在激光晶体棒3的轴向方向上的尺寸的一半。热沉13、热沉16和热沉19上的首个列阵芯片2的位置与热沉11、热沉14和热沉17上的首个列阵芯片2的位置错开的距离为列阵芯片2在激光晶体棒3的轴向方向上的尺寸。

下面将结合对比例说明根据本发明的激光器件的明显有利的效果。根据本发明的激光器件例如可使用84只40W额定功率的泵浦激光二极管列阵芯片2。

图8显示了根据本发明的实施例中的激光器件的效果示意图。

按照图8所示意性显示的，将泵浦激光二极管列阵芯片2排列在9只热沉上。9只热沉分别用标号11～19来显示，其中热沉11、热沉14和热沉17上以同样的排布方式分别排布10只泵浦激光二极管列阵芯片2，每两个泵浦激光列阵芯片2之间留出二分之一芯片长度a(即芯片在激光晶体棒3的轴向方向上、即图8的左右方向上的尺寸)的空隙。而热沉12、热沉15、热沉18、热沉13、热沉16和热沉19上分别排布9只激光二极管列阵芯片2，每两个芯片2之间也是留出二分之一芯片长度a(即芯片在激光晶体棒3的轴向方向上、即图8的左右方向上的尺寸)的空隙。热沉12、热沉15、热沉18三只热沉上的首个泵浦激光二极管列阵芯片2的排列位置相比较于热沉11、热沉14和热沉17的三只热沉上的泵浦激光二极管列阵芯片2的首芯片位置偏移二分之一个芯片长度a的位置。图中示意性显示为向右偏移。而热沉13、热沉16和热沉19上排列的泵浦激光二极管列阵芯片2的首芯片位置相较于热沉11、热沉14和热沉17的三只热沉上的泵浦激光二极管列阵芯片2的首芯片位置偏移一个芯片长度a的位置。图8中同样示意性显示为向右偏移。

从图8上的三组辅助线A1、A2和A3来看，每一组辅助线上的泵浦激光二极管列阵芯片2组成了围绕激光晶体棒3的螺旋线排列。这样的排列在激光晶体棒3表面沿晶体棒轴向方向形成了螺旋方式布置且间隔均匀分布的泵浦激光照射。激光晶体棒轴向方向上所受到照射的泵浦激光长度L8为14.5只泵浦激光二极管列阵芯片的长度，这种照射长度的模块设计所需的激光晶体棒3的长度在200mm以内，位于晶体棒3的成熟制造能力范围中。

图8中的另外两条辅助线A4、A5所限定的单位芯片长度a的区域内的等效泵浦激光二极管列阵芯片2的数量为6只，因此可以计算出单位芯片长度a中的激光晶体棒3上所照射的额定泵浦光功率为40Wx6＝240W，相比较于常规的泵浦激光模块上280W的额定泵浦光功率，晶体棒上的功率密度降低了14％以上。这有效缓解了热透镜效应，提升了发光质量。另外，因为泵浦激光沿晶体棒轴向的照射为螺旋线的排列形式，对于沿晶体棒轴向流动的冷却水来讲，对晶体棒的散热效果要比常规侧面泵浦激光模块的散热效果更好。

下面可参照对比例。

图4显示了对比例中的激光器件沿横向的剖视图。

图5显示了对比例中的激光器件的侧周面的展开示意图。从图5可见，对比例中的激光器件的不同热沉上的列阵芯片2的排布方式为对齐排布，在激光晶体棒3的轴向方向上(即图4中的左右向)没有相互错位。同时，所有热沉上的列阵芯片2的数量都是相同的。

在这种情况中，任一热沉上所封装的泵浦激光二极管列阵芯片2的排列都是完全相同的直线连续排列。因此，用于泵浦目的的激光二极管列阵芯片2围绕晶体棒3侧表面的排列形式为多维、直线连续排列，即围绕晶体棒3轴心排列为多维，沿晶体棒3轴线方向的排列为直线连续排列。

选用单只额定功率为40W的激光二极管列阵芯片2作为泵浦源，需要的激光二极管列阵芯片2数量为85只(40W*85＝3400W)。

图6显示了对比例1中的激光器件的效果示意图。在对比例1中，设置7个热沉，则每个热沉上安装的泵浦激光二极管列阵芯片2的数量为INT(85÷7)＝12只(只考虑整数)，总芯片数量为84只。从图6的热沉平面展开后泵浦激光二极管列阵芯片2的排布可看出，单位芯片长度a上的激光晶体棒3上所接收到的满额泵浦光功率为40W*7＝280W。而在图8所示的根据本发明的激光器件中，单位芯片长度a的激光晶体棒3上所照射的额定泵浦光功率为40Wx6＝240W，晶体棒上的功率密度降低了14％以上。

图7显示了对比例2中的激光器件的效果示意图。在对比例2中，设置9个热沉，则每个热沉上安装的泵浦激光二极管列阵芯片2的数量为INT(85÷9)＝9只(只考虑整数)，总芯片数量为81只。从图7的热沉平面展开后泵浦激光二极管列阵芯片2的排布可看出，单位芯片长度a上的激光晶体棒上所照射的额定泵浦光功率为40Wx9＝360W。

在对比例2中，激光晶体棒3上所收到的照射泵浦功率密度远大于根据本发明的实施例中的激光器件的激光晶体棒3所收到的照射功率密度，因此对比例2的激光器件的激光晶体棒的热透镜效应远大于根据本发明的激光器件的侧面泵浦激光模块中的热透镜效应。

当然，如果仅设置5个热沉，相较于设置7个热沉的对比例1而言，具有更小的热透镜效应，但是如果仅设置5个热沉，激光器件中每个热沉上的激光二极管列阵芯片2的数量达到了(85÷5)＝17只，则激光晶体棒3所受泵浦激光辐照宽度将超过18.7个泵浦激光二极管列阵芯片长度，这时对激光晶体棒3总长度的要求远超出了目前制造晶体棒长度的能力限制。而根据本发明的激光器件的激光晶体棒3总长度则位于可接受的范围内。

因此，具有螺旋式间隔排列激光二极管列阵芯片2的侧面泵浦激光模块的激光器件具有更小的晶体棒热透镜效应。在输出同样的模块激光功率情况下，根据本发明的激光器件具有更好的光束质量。同时具有较好的冷却性能。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.激光器件，包括围绕中央柱体沿其轴向延伸的多只热沉，在每只所述热沉上沿所述中央柱体的轴向排布有多个集成有发光元件的列阵芯片，其特征在于，在所述中央柱体的轴向方向上，相邻热沉上的相应的所述列阵芯片相互错开。

2.根据权利要求1所述的激光器件，其特征在于，所有的列阵芯片具有相同的尺寸，且在所述热沉上，相邻的所述列阵芯片相互之间的间隔距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半。

3.根据权利要求2所述的激光器件，其特征在于，在所述中央柱体的轴向方向上，相邻的热沉上的相应的列阵芯片相互错开特定距离，所述距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸或其一半。

4.根据权利要求3所述的激光器件，其特征在于，所述热沉的数量为九只。

5.根据权利要求4所述的激光器件，其特征在于，在所述九只热沉中，第一、四、七只热沉上的列阵芯片的数量为十个。

6.根据权利要求5所述的激光器件，其特征在于，在所述九只热沉中，第二、三、五、六、八、九只热沉上的列阵芯片的数量为九个。

7.根据权利要求6所述的激光器件，其特征在于，在所述中央柱体的轴向方向上，第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置齐平，第二、五、八只热沉上的首个列阵芯片的位置与第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半，第三、六、九只热沉上的首个列阵芯片的位置与第一、四、七只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的整个尺寸，第三、六、九只热沉上的首个列阵芯片的位置与第二、五、八只热沉上的首个列阵芯片的位置错开的距离为所述列阵芯片在所述中央柱体的轴向方向上的尺寸的一半。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述发光元件为激光二极管。

9.根据权利要求1到7中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述中央柱体为外部套有石英玻璃管的激光晶体棒。

10.根据权利要求9所述的激光器件，其特征在于，在所述中央柱体和所述石英玻璃管之间具有用于冷却水的环状管路，以及在所述热沉上具有用于冷却水的管路。