CN203967508U - 一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计了一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块，包括半导体激光器单元，基座，反射腔和通液板。所述的通液板包括进/出液孔，至少两个通液孔和一个通光孔，通液孔分别与半导体激光器热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道连通，形成并联的液体制冷通路结构，通过调整石英管的内径，来调整并联的液体制冷通路各路的制冷液流量，不但有效保证了半导体激光器热沉的散热能力，并且提高晶体棒的散热效率，从而提高了激光器的效率。
Description
技术领域
本实用新型为半导体激光器技术领域，具体涉及一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块。
背景技术
近年来随着半导体激光器的不断发展，使用半导体激光器代替传统的氪灯或氙灯作为侧泵模块的激光器具有高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的优点。
目前，半导体侧泵模块的一个重要技术问题为散热冷却问题，目前常用的冷却方法有传导冷却和液体冷却方法。传导冷却方法是采用高导热性能的金属材料或者其他材料作为导热介质，通过直接接触的方式来散热，这种方式散热能力有限，不适用于大功率半导体激光器。液体冷却方法为选用液体制冷型的半导体激光器作为侧泵模块以及石英管内通制冷液作为晶体棒的冷却水路，目前常将半导体激光器热沉的冷却水路与晶体棒的水路设计为串联水路，即冷却液从半导体激光器热沉的液体制冷通道流入，从石英管内的液体制冷通道流出。这种液体冷却方法相比传导冷却型冷却效果大大得到了提升，但是这种方法也存在问题：一方面冷却晶体棒的液体是经过半导体激光器热沉之后的液体，此时冷却液体的温度已经高于设定温度，不利于晶体棒的冷却，从而影响了转换效率和输出激光的光束质量；另一方面，通过这种液体冷却方法设计的半导体侧泵固体激光器结构体积庞大，制约了使用这种冷却方法的激光器的市场应用。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型设计了一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块，该侧泵模块提出了一种并联的液体制冷通路结构，可以提高晶体棒的散热能力。具体技术方案为：
本实用新型中的液体制冷型半导体激光器侧泵模块包括半导体激光器单元，基座，反射腔和通液板。
所述的半导体激光器单元可以为单个或者多个，且均匀分布在反射腔外壁上（即为石英管的外壁上），半导体激光单元包括热沉和焊接在热沉上的激光芯片，激光芯片为多发光单元的芯片，热沉内分布有液体制冷通道。
所述基座的两端一端为进液端，另一端为出液端。
所述通液板配对设置2块,分别为通液板A和通液板B，通液板A垂直固定在基座的进液端，且分布有进液孔，至少两个通液孔和一个通光孔，通液板B垂直固定在基座的出液端，且分布有出液孔，至少两个通液孔和一个通光孔，通液孔与通光孔分别位于通液板相互平行的两个侧面上；通液板A的通液孔与通液板B的通液孔具有一一对应的位置关系。
所述的反射腔内包括中空的石英管和晶体棒，晶体棒同轴放置于中空的石英管中心处，且晶体棒两端穿过通液板A和通液板B的通光孔，晶体棒与石英管之间为液体通道，用来通冷却液体，石英管的内径d（单位：米）需满足以下公式：
其中， L T为石英管长度，单位为米；R为制冷液温度修正系数且R为常数；π为常数；QL 为单个半导体激光器单元热沉内液体通道的液流总量，QT 为石英管内的液流总量，d g为晶体棒直径，HT为单个半导体激光器单元热沉内液体制冷通道的液阻，液阻与液体制冷通道内的流速、材料、冷长度及内径等因素有关。
所述的通液板内部有液流通路，通液孔可以分为通液孔C和通液孔D，该液流通路通过通液孔D与半导体激光器热沉的液体制冷通道连通，同时通过通液孔C和石英管的液体通道连通，形成并联的液体制冷通路结构；制冷液可以通过通液板A的进液孔进入通液板内部的液流通路，通过并联的液体制冷通路（半导体激光器热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道为并联通路结构）流进通液板B内部的液流通路，最后从出液孔流出；与石英管的液体通道连通的通液孔尺寸略大于石英管外径，使石英管可以***通液孔，并且增加密封装置密封，保证石英管与通液孔的密封连接。通液板上安装固定架，用来固定反射腔和半导体激光器单元。
所述的通光孔直径大于晶体棒的直径且小于石英管的内径，通光孔用来固定晶体棒，且晶体棒产生的光可以通过通光孔出射，晶体棒与通光孔之间增加密封装置密封，保证通光孔的密封性。
所述半导体激光器单元热沉的材料可以为金属铜和金属铝。
所述晶体管材料可以为Nd:YAG,Yb:YAG,Nd:YLF,Nd:YV04。
本实用新型中的液体制冷型半导体激光器侧泵模块具有以下优点：
1) 本实用新型的液体制冷型半导体激光器侧泵模块有效保证了半导体激光器热沉中的制冷液流量，有利半导体激光器工作在所需工作波长上，从而提高激光器效率；
2）本实用新型中的液体制冷型半导体激光器侧泵模块采用并联的液体制冷通路结构，通过设定石英管内径达到各路液体制冷通道的制冷液阻力相等，避免晶体棒与半导体激光器热沉散热不均，有利于提高晶体棒的散热效率，并且该***结构紧凑，有利于减小设备体积；
3）本实用新型中的侧泵模块结构简单，安装方便，有利于提高生产效率。
附图说明
图1为本实用新型中一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块的结构示意图。
图2为通液板B的通液孔分布示意图。
附图标号说明：1为基座，2为通液板A，3为反射腔，4为半导体激光器单元，5为通液板B，6为进水孔，7为出水孔，8为晶体棒，9为通液孔D，10为通液孔C，11为出光孔，12为固定架。
具体实施方式
一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块包括半导体激光器单元4，基座1，反射腔3和通液板（2和5）。现以采用三组半导体激光器单元的为例，结合图1对本实用新型做进一步说明。如图1所示半导体激光器单元4沿反射腔3的圆周外壁（即为石英管的外壁上）均匀分布，三组半导体激光单元相互呈120°的夹角，半导体激光单元由热沉和至少一个激光芯片组成，激光芯片焊在热沉上，激光芯片为多发光单元的芯片，热沉内分布有液体制冷通道。
所述基座1的两端一端为进液端，另一端为出液端。
所述通液板配对设置2块,分别为通液板A 2和通液板B 5，通液板A 2垂直固定在基座1的进液端，通液板B 5垂直固定在基座1的出液端，参考图2，通液板B 5的侧面设置出液孔7，在通液板B 5的正面设置3个通液孔9，在通液板B 5的正面中心设置一个通光孔11，同理，在通液板A 2的侧面位置处设置进液孔6，3个通液孔9和一个通光孔11，通液板A和通液板B为镜面对称，通液孔9与通光孔11分别位于通液板相互平行的两个侧面上。
所述的反射腔3内包括中空的石英管和晶体棒8，晶体棒8同轴放置于中空的石英管中心处，且晶体棒两端穿过通液板A 2和通液板B 5的通光孔，晶体棒8与石英管之间为液体通道，用来通冷却液体。
在实际应用中，由于不同的半导体激光器所需要的散热能力不同，所以应针对不同类型的半导体激光器，当半导体激光器热沉设计完成后，可以根据测试或者模拟仿真得到半导体激光器热沉液体制冷通道的液阻值和液流总量，再根据需求来控制调节石英管内制冷液流量，进而控制石英管内晶体棒的散热量。石英管的内径d（单位：米）需满足以下公式：
其中， L T为石英管长度，单位为米；R为制冷液温度修正系数且R为常数； π为常数；QL 为单个半导体激光器单元热沉内液体通道的液流总量，QT 为石英管内的液流总量，d g为晶体棒直径，HT为单个半导体激光器单元热沉内液体制冷通道的液阻，液阻与液体制冷通道内的流速、材料、冷长度及内径等因素有关。
所述的通液板（2和5）内部有液流通路，通液孔可以分为通液孔C 10和通液孔D 9，该液流通路通过通液孔D 9与半导体激光器热沉的液体制冷通道连通，同时通过通液孔C 10和石英管的液体通道连通，液体通过通液板A 2进入然后分流至半导体激光器单元热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道，使得半导体激光器热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道并联。制冷液可以通过通液板A 2的进液孔6进入通液板内部的液流通路，通过并联的液体制冷通路（半导体激光器热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道为并联通路结构）流进通液板B内部的液流通路，最后从出液孔7流出。与石英管的液体通道连通的通液孔尺寸略大于石英管外径，使石英管可以***通液孔，并且增加密封装置密封。通液板上安装固定架12，用来固定反射腔和半导体激光器单元。
所述的通光孔11直径大于晶体棒的直径且小于石英管的内径，通光孔用来固定晶体棒8，且晶体棒8产生的光可以通过通光孔出射，晶体棒8与通光孔11之间增加密封装置密封，保证通光孔的密封性。
所述半导体激光器热沉的材料可以为金属铜和金属铝。
所述晶体棒8材料可以为Nd:YAG,Yb:YAG,Nd:YLF,Nd:YV04。
Claims (3)
1.一种液体制冷型半导体激光器侧泵模块，包括半导体激光器单元，基座和反射腔；所述的半导体激光器单元可以为单个或者多个，且均匀分布在反射腔外壁上，半导体激光单元包括热沉和焊接在热沉上的激光芯片，热沉内分布有液体制冷通道；所述基座的两端一端为进液端，另一端为出液端；其特征在于：
所述的液体制冷型半导体激光器侧泵模块还包括通液板，所述通液板配对设置2块，分别为通液板A和通液板B，通液板A垂直固定在基座的进液端，且在通液板A上设置有进液孔，2个及以上通液孔和1个通光孔，通液板B垂直固定在基座的出液端，且在通液板B上设置有出液孔，2个及以上通液孔和1个通光孔；
所述的反射腔包括中空的石英管和晶体棒，晶体棒同轴放置于中空的石英管中，且晶体棒两端穿过通液板A和通液板B的通光孔，石英管的内径d（单位：米）满足以下公式：
其中， L T为石英管长度，单位为米；R为常数； QL 为单个半导体激光器单元热沉内液体通道的液流总量，QT 为石英管内的液流总量，d g为晶体棒直径，HT 为单个半导体激光器单元热沉内液体制冷通道的液阻，π为常数。
2.根据权利要求1所述的液体制冷型半导体激光器侧泵模块，其特征在于：通液板内部设置液流通路，该液流通路通过通液孔分别与半导体激光器单元热沉的液体制冷通道和石英管的液体通道连通，形成并联的液体制冷通路结构，通液孔设置密封装置密封。
3.根据权利要求1所述的液体制冷型半导体激光器侧泵模块，其特征在于：通液板的通光孔直径大于晶体棒的直径且小于石英管的内径，晶体棒与通光孔之间设置密封装置密封。
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Cited By (2)
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| CN107946900A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-04-20 | 西安炬光科技股份有限公司 | 一种半导体激光器模块 |
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| CN107946900B (zh) * | 2017-12-29 | 2024-02-13 | 西安炬光科技股份有限公司 | 一种半导体激光器模块 |
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